caracteristiques de sols du golf de guinée(recherche)

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_____________Clarom_____________

Club pour les Actions de Recherche sur les Ouvrages en Mer

PROJET « SOLS MARINS GRANDE PROFONDEUR » M7510/02

FUGRO-FRANCE IFP

IFREMERSAIPEM S.A.

STOLT-OFFSHORETECHNIP FRANCE

TOTAL S.A.

RAPPORT FINAL

Jacques MEUNIER (IFREMER) Jean-François NAUROY (IFP)

Mars 2005

Ref : TSI/AS-05/016 Version du 9 mars 2005 INSTITUT FRANÇAIS DU PETROLE (IFP) 1 et 4 avenue de Bois-Préau B.P. 311 92506 RUEIL-MALMAISON Cedex Tél : 01 47 49 02 14

INSTITUT FRANÇAIS DE RECHERCHEPOUR L’EXPLOITATION DE LA MER (IFREMER)

Technopolis 40 - 155, rue Jean-Jacques Rousseau92138 ISSY-LES MOULINEAUX Cedex

Tél : 01 46 48 21 00

Sols marins grande profondeur – Rapport final (mars 2005)

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RAPPORT FINAL FICHE RESUMEE Date : décembre 2004

SOCIETE GERANTE DE LA DOTATION RTPG : IFREMER

N° CEP&M : M7510/02 ___________________________________________________________________________ CHEF DE PROJET : Jacques MEUNIER N° de téléphone : 02 98 22 41 46 N° de télécopie : 02 98 22 44 52 TITRE DU PROJET : SOLS MARINS GRANDE PROFONDEUR ___________________________________________________________________________ OBJECTIF GENERAL DU PROJET : Caractérisation mécanique des sols marins grande profondeur pour l'ingénierie des ouvrages en mer. L’objectif du projet est :

- de mieux cerner les caractéristiques physiques et mécaniques des sols marins rencontrés en mer profonde (très forte teneur en eau, faibles valeurs de confinement, fort indice de plasticité, remaniement des échantillons prélevés) par des essais de laboratoire spécifiques menés sur des matériaux provenant des grandes profondeurs,

- afin de prendre en compte les caractéristiques particulières des sols dans les méthodes de dimensionnement des ouvrages (fondations de structures, ancrages, risers, conduites).

___________________________________________________________________________ PROGRAMME DE LA FICHE DE PROJET DE L'ANNEE : Le programme comporte les étapes suivantes : - Définition des essais de caractérisations physique et mécanique des sols très meubles existant par grandes profondeurs, - Réalisation des essais de laboratoire définis précédemment sur des matériaux provenant des grands fonds, - Interprétation des essais, comparaison des essais entre eux et avec des essais in-situ, - Recommandations pour la caractérisation des matériaux et pour la prise en compte des propriétés particulières des sols marins dans l’ingénierie des ouvrages par grande profondeur. BUDGET

BUDGET

RTPG

AUTRES FINANCEMENTS

OBSERVATIONS

2002 (en k€)

AP 2002 (en k€)

Autres aides

publiques

Responsable du projet

Partenaires

514,70

257,35

55,22

202,13

Fugro-France IFP

Saipem S.A. Stolt Offshore

Technip France Total


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RESULTATS OBTENUS : Dans le cadre de la tâche 1 « Etat des connaissances et des besoins dans le Golfe de Guinée » un bilan sur les connaissances des propriétés géotechniques des sols rencontrés par grands fonds au large de l’Afrique de l’Ouest a été effectué, dégageant les lacunes et les besoins, et proposant des lignes de travail. Les méthodologies de mesure des propriétés géotechniques des sols situés par des profondeurs d’eau supérieures à 500 mètres sont rappelées. Une synthèse de l’ensemble des données de sols disponibles recueillis dans les grands fonds de l’Afrique de l’Ouest a été établie. Les besoins de caractérisation des propriétés des sédiments grands fonds du point de vue pragmatique de l’ingénierie des structures à installer ont été recensés et analysés. Ces besoins sont explicités pour les ancrages à succion, les structures support d’installations de fond et les interactions sols - conduites. Des axes de travail prioritaires ont été dégagés pour parvenir à une meilleure caractérisation des sols grands fonds. Dans le cadre des tâches 2 et 3 « Réalisation d’essais de laboratoire » et « interprétation des essais », des essais ont été effectués par l’IFP pour caractériser les sols rencontrés, en mettant en lumière les lacunes des méthodes utilisées, et en définissant des procédures adaptées aux matériaux des grandes profondeurs. Des procédures d’essais spécifiques ont été définies pour les analyses granulométriques, pour la mesure de la teneur en eau, de la teneur en carbonate et en matière organique. Des essais mécaniques, triaxiaux et oedométriques ont été effectués. Par ailleurs, des essais de rhéométrie ont été pratiqués sur ces échantillons : fluage, écoulement, essais oscillatoires et de reprise. Ces essais apportent un éclairage complémentaire aux essais classiques de mécanique des sols. Des contrats ont été passés avec des laboratoires de recherche extérieurs : LEM (Nancy) : essais de dispersion de l’argile, études de minéralogie fine et de morphologie, CERMES (Marne la Vallée) : études morphologique et mécaniques, Ecole Centrale de Paris (Châtenay-Malabry) : essais mécaniques systématiques sur des échantillons, L3S (Grenoble) : essais triaxiaux et validation de la méthode SHANSEP. La tâche 4 synthétise les méthodes d’essais spécifiques mis au point au cours du projet et fournit un document décrivant les procédures particulières nécessaires pour effectuer les essais mécaniques des sols marins profonds. Les sédiments rencontrés par grand profondeur sont des argiles très plastiques, sensibles et thixotropes. Un effort important a été entrepris pour les identifier et déterminer leurs propriétés physiques et minéralogiques. Les procédures expérimentales ont été améliorées. Le comportement très plastique et thixotrope de ces sols s’explique par la présence abondante d’argile gonflante dans la partie fine et par la finesse des grains de kaolinite.


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RAPPORT FINAL Date : mars 2005 TITRE DU PROJET : SOLS MARINS GRANDE PROFONDEUR SOCIETE : IFREMER TMSI/TSI/AS B.P. 70 29280 PLOUZANE PARTENAIRES : FUGRO – France IFP SAIPEM S.A. STOLT OFFSHORE TECHNIP FRANCE TOTAL S.A. NOM DU CHEF DE PROJET : Jacques MEUNIER

tel : 02 98 22 41 46 fax : 02 98 22 44 52 e-mail : [email protected]

___________________________________________________________________________ 1. Introduction Les sédiments marins rencontrés par grande profondeur présentent des caractéristiques particulières différentes des sédiments rencontrés sur le plateau continental. La cohésion en surface est très faible et le gradient de cohésion est également faible. La plasticité est très élevée. Le prélèvement remanie profondément le sédiment et les caractéristiques mesurées en laboratoire diffèrent notablement des caractéristiques qui ont pu être mesurées in-situ. Les sols concernés par le présent projet se situent au-delà du plateau continental dans les zones d’intérêt pour l’exploitation pétrolière principalement sur les côtes Ouest de l’Afrique. La compréhension des propriétés mécaniques des sols marins grande profondeur apparaît comme un passage obligé dans l’étude plus approfondie du dimensionnement des caissons d’ancrage, de la pose, de l’ensouillage, de la stabilité des conduites, de l’interaction des risers caténaires avec le sol. Des exemples d’installation de caissons à succion par mer profonde dans le Golfe de Guinée ont montré que plusieurs aspects du comportement des sols mous rencontrés : anisotropie, comportement à l’interface sol – acier, remaniement, cicatrisation, ne sont pas maîtrisés. Les risers caténaires en acier (SCR-Steel Catenary Risers) constituent une solution alternative aux risers flexibles pour les mers profondes. Les études ont montré que la fatigue maximale apparaît dans la zone de décollement et que la raideur du sol est un paramètre critique pour l’adoption du concept.


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Le problème d’interaction des conduites avec des sols très mous se pose également quand celles-ci sont soumises aux effets des variations de température et de pression du fluide transporté. Les essais de mécanique des sols en laboratoire doivent tenir compte des particularités des sols marins grande profondeur, et plus précisément de la très faible valeur de confinement (à imposer pour reproduire les conditions in situ) qui nécessite un soin particulier pour la réalisation des essais. L’objectif du projet est donc :

- de mieux cerner les caractéristiques physiques et mécaniques des sols marins rencontrés en mer profonde (très forte teneur en eau, faibles valeurs de confinement, fort indice de plasticité, remaniement des échantillons prélevés) par des essais de laboratoire spécifiques menés sur des matériaux provenant des grandes profondeurs,

- afin de prendre en compte les caractéristiques particulières des sols qui seront nécessaires au dimensionnement des ouvrages (fondations de structures, ancrages, risers, conduites). Les principaux résultats obtenus au cours de cette étude montrent que les sédiments rencontrés par grande profondeur sont des argiles très plastiques, sensibles et thixotropes. Un effort important a été entrepris pour les identifier et déterminer leurs propriétés physiques et minéralogiques. Les procédures expérimentales ont été améliorées. Le comportement très plastique et thixotrope de ces sols s’explique par la présence abondante d’argile gonflante dans la partie fine et par la finesse des grains de kaolinite. Ce rapport donne les grandes lignes des travaux réalisés au cours du projet. La synthèse sur les principaux points mis en lumière au cours du projet fait l’objet d’articles qui seront présentés au congrès ISFOG à Perth (Australie) en septembre 2005 et au congrès international de mécanique des sols à Osaka (Japon). Une partie de ces documents est jointe en annexe.


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2. Tâche 1 Etat des connaissances et des besoins dans le Golfe de Guinée (responsable : Fugro-France) L’objectif de la tâche 1 est de faire un bilan des connaissances des propriétés géotechniques des sols rencontrés par grands fonds au large de l’Afrique de l’Ouest, de dégager les lacunes et les besoins, ainsi que de proposer des lignes de travail. Le rapport relatif à la tâche 1 est organisé en quatre parties : 1. – Les méthodologies de mesure des propriétés géotechniques des sols situés par des profondeurs d’eau supérieures à 450 mètres sont rappelées. Le rapport examine successivement les différents types d’essais in situ réalisables et les techniques de carottage utilisées. Il s’intéresse ensuite à la qualité des échantillons prélevés et à leur représentativité pour la détermination des propriétés mécaniques à partir d’essais de laboratoire ; 2. – Le rapport présente ensuite une synthèse de l’ensemble des données de sols disponibles recueillis dans les grands fonds de l’Afrique de l’Ouest de manière à établir un état des connaissances sur la caractérisation des matériaux du Golfe de Guinée. Il passe en revue l’ensemble des propriétés physiques et mécaniques des sédiments et s’attache à dégager leurs particularités par référence aux autres matériaux grands fonds, notamment dans le Golfe du Mexique. Les anomalies apparentes de comportement et les lacunes dans la compréhension des phénomènes sont soulignées ; 3. – La troisième partie aborde le problème des besoins de caractérisation des propriétés des sédiments grands fonds du point de vue pragmatique de l’ingénierie des structures à installer. Ces besoins sont explicités pour les ancrages à succion, les structures support d’installations de fond et les interactions sols - conduites ; 4. – Dans la dernière partie, les axes de travail prioritaires sont dégagés pour parvenir à une meilleure caractérisation des sols grands fonds. Une amélioration des méthodologies de reconnaissance et par la définition de nouveaux protocoles d’essais est proposée. Si le souci principal est bien de répondre à court terme aux besoins de l’ingénierie pétrolière, il est cependant nécessaire de porter une attention toute particulière à des aspects plus fondamentaux tels que minéralogie et microstructure pour expliquer le comportement rhéologique de ces matériaux. Une recherche trop académique sur ce point devra cependant être évitée.


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3. Tâches 2 et 3 Réalisation et interprétation d’essais de laboratoire (responsable : IFP) La plus grande partie des essais ont été réalisés à l’IFP (département « Géomécanique » à Rueil et département « Physique et Analyse » à Solaize). Fugro a réalisé des essais de compressibilité sur oedomètre. Afin d’élargir les capacités et les compétences requises nécessaires à l’étude de ces sols, des contrats ont été passés avec des laboratoires de recherche extérieurs :

- LEM (Nancy) : essais de dispersion de l’argile, études de minéralogie fine et de morphologie,

- CERMES (Marne la Vallée) : études morphologique et mécaniques, - Ecole Centrale de Paris (Châtenay-Malabry) : essais mécaniques systématiques sur des

échantillons, - L3S (Grenoble) essais triaxiaux et validation de la méthode SHANSEP.

3.1. Echantillons disponibles pour les essais Dans la zone centrale du bloc 17 où sont situés les champs de Girassol, Dalia et Rosa-Lirio, le fond de la mer s’incline doucement vers le Sud-Ouest, avec un gradient d’environ 1,2°. Les sols sont généralement homogènes et uniformes dans cette zone. L’épaisseur des sédiments argileux en place a été évaluée à environ 300 mètres.

Sondages géotechniques sur le Block 17 - Angola

9 140 000,00

9 150 000,00

9 160 000,00

9 170 000,00

9 180 000,00

110 000,00 120 000,00 130 000,00 140 000,00 150 000,00

X (m)

Y (m

)

CPT

CPT-SP

K

SP

SS

ST

WDCPT

WDVST

DALIA

GIRASSOL

ROSA

CRAVOLIRIO

Fig. 1 - Sondages géotechniques sur le bloc 17 au large de l’Angola Sur la figure 1 sont représentés la localisation des champs Lirio, Cravo, Rosa, Girassol et Dalia, ainsi que les divers sondages géotechniques effectués : carottes prélevées au Stacor (ST), pénétrométrie en continu (CPT), carottes prélevées au Kullenberg (K).


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La caractérisation de ces sols a été effectuée au moyen d’essais in situ (CPT, scissomètre) et d’essais de laboratoire sur échantillons. Les résultats présentent globalement une bonne homogénéité autant sur les différents sites que sur les méthodologies d’obtention des paramètres. Total a mis à disposition de l’IFP : − 16 carottes (de longueur variant entre 2 m et 5,30 m) prélevées au carottier Kullenberg

(représentées par un carré vert sur la figure 1) par des profondeurs d’eau variant entre 1 260 et 1 450 m sur les sites Rosa, Dalia et Girassol. Ces carottes ont un diamètre de 70 mm et sont découpées en tronçons d’environ 1 m. Leur longueur totale représente environ 68 m. Les tronçons sont conservés dans des tubes en PVC fermés par des embouts entourés de ruban adhésif. Ces tronçons n'ont pas été paraffinés et contiennent un sol relativement remanié.

− 9 tronçons de 1 m d’une carotte Stacor de 110 mm de diamètre (un tronçon sur deux, jusqu'à 17 m) de bonne qualité (profondeur d'eau 1248 m) prélevée sur le site de Dalia..

Fig. 2. – Courbes caractéristiques des sols rencontrés en mer profonde dans le Golfe de Guinée. Les bandes vertes à droite représentent les échantillons de carottes disponibles

prélevées au Stacor.


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La figure 2 montre deux profils pénétrométriques situés au voisinage de la carotte Stacor fournie à l'IFP sur le site de Dalia. Les courbes de résistance de pointe du pénétromètre de deux sondages montrent un gradient de cohésion très net avec la profondeur et une surconsolidation de surface dans le premier mètre. En théorie, la surconsolidation apparente dans les couches très superficielles du sol peut être d’origine :

- mécanique, à la suite de l’érosion de la surface par l’action des courants ou d’un glissement de terrain ;

- physico-chimique, car il se peut que des phénomènes de liaisons chimiques ou électriques ordinairement négligés soient ici importants en valeur relative.

La carotte Stacor a été répartie entre divers laboratoires comme mentionné dans le tableau 1.

Tronçon Laboratoire d'analyse 0 - 0,7 m IFP 1,7 - 2,7 m ECP 3,7 - 4,7 m IFP/CERMES 5,7 - 6,7 m ECP 7,7 - 8,7 m L3S 9,7 - 10,7 m ECP 11,7 - 12,7 m L3S 13,7 - 14,7 m IFP/CERMES 15,7 - 16,7 m ECP

Tableau 1- Répartition de la carotte Stacor

L’Ecole Centrale de Paris dispose d’une carotte Stacor de longueur 17 mètres (profondeur d’eau 650 mètres environ) fournie par Stoltoffshore provenant du site de Ceiba.. 3.2. Essais mécaniques réalisés par l’IFP De nombreux essais ont été réalisés par l’IFP pour la caractérisation physique et mécanique des échantillons provenant des carottes fournies par Total. Ces essais sont de 3 types : des essais d’identification, des essais de mécanique des sols et des essais de rhéologie. Essais d’identification

Teneur en eau Limites d’Atterberg Granulométrie – tamisage - sédimentométrie Granulométrie laser Teneur en matières organiques Teneur en carbonates Salinité Essais au bleu de méthylène Adsorption d’azote Diffraction X


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MEB (microscope électronique à balayage)

Essais de mécanique des sols Mesures acoustiques Scissomètre de poche Scissomètre de laboratoire Fall cone DSS (direct simple shear) Essai oedométrique Triaxial UU (non consolidé, non drainé) Triaxial CAUc (consolidé de manière anisotrope et cisaillé non drainé en compression) Triaxial CAUe (consolidé de manière anisotrope et cisaillé non drainé en extension) Triaxial CIU (consolidé et cisaillé en non drainé) Ring shear test

Essais de rhéologie Rhéomètre fluage Rhéomètre écoulement Rhéomètre oscillatoire

A titre d’illustration, la figure 3 présente un scissomètre de laboratoire, la figure 4 un appareil triaxial et les figures 5 et 6 un rhéomètre et son plateau.

Fig. 3. – Scissomètre de laboratoire Fig. 4. – Triaxial


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Fig. 5. – Rhéomètre Fig. 6. – Plateau du rhéomètre Résultats des mesures Un important travail a été effectué sur chaque type d'essais : comparaison des procédures selon les différentes normes ou "habitudes" en vigueur (ASTM, AFNOR, NGI, Fugro….). Les responsables des laboratoires de Fugro UK et NGI ont été rencontrés et leurs approches analysées. Un document faisant la synthèse des procédures utilisées fait l’objet de la tâche 4. Essais de rhéologie Parallèlement à l'approche classique de mécanique des sols, des mesures ont été effectuées en considérant le matériau comme un fluide. Plusieurs équipes de recherche ont déjà utilisé cette approche (Locat & Demers, 1988 - Migniot, 1989). Des essais sur rhéomètre à contrainte imposée ont été effectués sur des échantillons provenant des carottes selon quatre procédures : essais de fluage, d’écoulement, d’oscillations en régime linéaire et de reprise. Les résultats des essais de rhéologie montrent un comportement de fluide à seuil, rhéofluidifiant, avec une forte capacité à la reprise après déstructuration. D'un point de vue pratique, les essais de rhéologie se révèlent un outil rapide pour estimer la résistance au cisaillement et la capacité de reprise après déstructuration. Ils ne nécessitent qu’une faible quantité de matériau pour la réalisation des essais.


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3.3. - Ecole Centrale de Paris - Propriété des Sols marins grands Fonds L’Ecole Centrale dispose d’une carotte de 17 tronçons de 1 mètre prélevée au carottier STACOR sur le site de Ceiba dans Golfe de Guinée fourni par Stoltoffshore et de 4 tronçons de 1 mètre prélevés également au STACOR sur le site de Dalia fourni par Total. L’objectif du contrat passé à l’Ecole Centrale avait pour but de :

- mesurer un maximum de caractéristiques habituelles de ces sédiments, - identifier un comportement standard (comportements de référence) ou spécifique.

Pour établir les comportements de référence, les caractéristiques des milieux granulaires (sables et argiles) sont classées en :

- nature des grains, - arrangement des grains, - propriétés mécaniques du sol,

afin de mettre en évidence la relation logique qui régit toutes les corrélations de paramètres :

Nature des grains + Arrangement et Confinement des grains = Propriétés mécaniques du sol

La carotte STACOR de 17 m de long a été prélevée par 700 m de fond au large du Golfe de Guinée sur le site de Ceiba. Elle a été fournie débitée en tronçons de l m qui ont été stockés verticalement en chambre froide. Les tronçons de 16,10 à 17,10 m et de 15,10 à 16,10 m ont servi à mettre au point la campagne d'essais. Le tronçon de 0,10 à 1,10 m n'a pas encore été analysé en décembre 2004. Il était attendu que les procédures d’essais soient définitivement au point pour effectuer les mesures sur la partie de carotte dans laquelle se situe le pic de cohésion encore non expliqué. Le matériau apparaît comme une argile très plastique de couleur gris foncé, saturée. Notons par ailleurs l'existence de nombreux débris de coquilles, visibles à l'œil nu, leur distribution causant une certaine hétérogénéité. La carotte du site de Dalia est aussi une carotte STACOR : l’Ecole Centrale a reçu 4 tronçons de 1 m notés «16-17», «10-11 », «6-7» et «2-3». Chaque tronçon de l m a été débité en 7 sous-tronçons pour effectuer un maximum de mesures suivant un pas régulier (figure 7), soit sur chaque tronçon : Arrangement des grains

7 teneurs en eau naturelle (Wnat)

Nature des grains 7 limites l'Atterberg (WL et WP) 7 valeurs au bleu de méthylène (VBS) 1 minéralogie et observation au MEB (carotte de 4 m)

Propriétés mécaniques - déformabilité 2 indices de compression et de gonflement à l’oedomètre (Cc et Cs) 1 module de Young maximum au triaxial de précision (Ernax)


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Propriétés mécaniques - rupture 7 cohésions non drainées au fall cone (CUf) 7 cohésions non drainées au scissomètre de laboratoire (CUlab) 2 cohésions et angles de frottement interne au pic et au palier au triaxial (CU+U, c', φ'

et φ'pic) 1 cohésion et angle de frottement interne au triaxial de précision c'p et φ'p

Fig. 7. - Plan d’expérience sur chaque tronçon de 1 mètre

Le stockage vertical des carottes a modifié la teneur en eau des échantillons : essorage de la tête et gonflement en eau du pied, induisant une inversion du sens « normal » de variation de Wnat sur les premiers tronçons. Résultat des essais Nature des grains

- Limites d'Atterberg : WL et WP diminuent en fonction de la profondeur jusqu’à 7 mètres puis deviennent constants en-dessous, mais les valeurs sont très dispersées,

- Minéralogie : les analyses entre 7 et 11 mètres paraissent très voisines mais sont différentes de celles à 4,8 m, deux anomalies pourraient être retenues à 9,3 m et 10,9 m,


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- Bleu de méthylène : VBS croît jusqu'à 7 mètres puis est constant en-dessous après un décrochement.

Arrangement des grains (Histoire)

- La teneur en eau naturelle Wsat décroît jusqu'à 7 mètres puis croît légèrement en-dessous, avec un décrochement,

- Le rapport de surconsolidation OCR décroît jusqu'à 7 m puis reste constant autour de 1 en-dessous avec quelques irrégularités.

Propriétés mécaniques

− Le matériau est normalement consolidé en général, mais présente une cohésion de type physico-chimique, pouvant s’estomper avec la profondeur,

− La compressibilité décroît avec la profondeur jusqu'à 7 m et est nettement supérieure à celle des argiles normalement consolidées remaniées. Cs semble constan :: Le rapport Cc/Cs suit de ce fait les variations de Cc et est très nettement supérieur à celui des argiles remaniées,

- La cohésion non drainée est systématiquement supérieure à celle des argiles remaniées jusqu’à 12 mètres, puis du même ordre après 12 mètres,

- Les caractéristiques critiques sont très influencées par le domaine de consolidation au triaxial à comparer à l’état de contrainte en place : − à faible contrainte (faible profondeur), l’angle de frottement mesuré au palier φ’ est

de l’ordre de 36 à 38°, bien que les essais soient difficiles à mener avec les valeurs de consolidations très faibles,

− à forte contrainte (grande profondeur, au-delà de 10 m), l’angle de frottement mesuré au palier est compris en 16 et 20°,

− les caractéristiques des angles de frottement de pic, sont sans doute plus significatives 25° au-dessous de 7 mètres, contre 35° au-dessus de 7 m.

Quelques remarques sur les essais Les mesures de WL au cône sont légèrement supérieures à celles à la coupelle et moins dispersées. Le faIl cone et le scissomètre de laboratoire donnent des mesures de Cu très voisines. L'essai oedométrique peut révéler 2 régimes :

- une rupture progressive des liaisons entre grains (fort Cc), - une compressibilité moindre stabilisée à environ 4 fois la contrainte en place.

Pour la préparation des essais triaxiaux, il est préférable de prendre des échantillons ayant un élancement de 1,5 avec un bon système d'anti-frettage plutôt qu'un élancement de 2 afin d’observer la rupture progressive des liens entre grains (pic arrondi vers 10%) et non des localisations de déformations (pic pointu parfois avant 5% ou chute brusque lors de la décroissance du déviateur). Les courbes q-ε1 et ∆u-ε1 doivent être analysées conjointement.


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3.4. - Laboratoire d’Environnement et de Minéralurgie Nancy - Essais de dispersion et minéralogie des argiles grands fonds (LEM – F. Thomas) Le LEM a travaillé sur le problème de la dispersion des argiles, les dispersants usuels étant inefficaces. L’utilisation d’une résine qui remplace les cations multivalents par du sodium donne d’excellents résultats, meilleurs qu'avec uniquement des ultrasons. Les courbes granulo-métriques ne font plus apparaître de « silt » (Figure 8). La dispersion des agrégats de particules est meilleure, une part argileuse prépondérante est mise en évidence. Les essais réalisés par le LEM ont montré que le diamètre moyen D50 pouavit être divisé par 2 ou 3. Celui-ci passe de 8,7 µm à 4,07 µm pour les échantillons de Moho et de 14,32 µm à 3,54 µm pour les échantillons d’Akpo.

Fig. 8. – Efficacité de différents dispersants sur la courbe granulométrique d’un échantillon représentatif

3.5. - Laboratoire d’Environnement et de Minéralurgie Nancy – Etude minéralogique et morphologique de deux sols profonds (LEM – F. Thomas) Les objectifs de la présente étude sont de :

- lever l'ambiguïté sur la composition minéralogique des sols profonds du Golfe de Guinée, par une caractérisation fine de leur minéralogie. L'accent est mis sur la fraction < 2 µm qui concentre les minéraux argileux. L'objectif est de caractériser la nature minéralogique de cette fraction, ainsi que la morphologie des particules qui la


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composent, afin d'identifier les paramètres qui contrôlent les propriétés mécaniques de ces sols,

- comparer deux échantillons à des profondeurs différentes sur un même sondage, afin de rechercher les paramètres de différenciation.

Les échantillons fournis par l'IFP sont issus de deux niveaux d'un carottage Kullenberg. Ils ont subi une homogénéisation mécanique à l'IFP. Mode opératoire Un mode opératoire spécifique a été retenu après concertation avec l’IFP. Son objectif est d'obtenir une dispersion optimale du sol afin de libérer au maximum la fraction fine < 2 µm par destruction séquentielle des phases autres que les argiles, dont certaines peuvent être à l'origine d'une agrégation : sel, calcite, matière organique. Les principales étapes sont :

Préparation : homogénéisation de la carotte, Elimination du sel par lavage à l'eau, Elimination des carbonates à l'acide, Elimination de la matière organique à l'eau oxygénée, Fractionnement physique, Morphologie de l'argile (fraction < 2 µm).

Diffractogramme X (DRX) Le diffractogramme X des échantillons bruts en poudre détecte les phases cristallines suivantes : le quartz, la calcite, la halite et des phyllosilicates (figure 9). Parmi ces derniers, la kaolinite est la plus abondante. Une ondulation vers 12,57 Å indique la présence possible de smectite. L’élargissement de la bande indique un fort désordre d'empilement, ce qui rend les smectites difficiles à mettre en évidence. L'élimination successive des phases accessoires a été suivie par spectroscopie infrarouge et diffractométrie X.


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Figure 9. - Diffractogramme X sur poudre des échantillons bruts K13H et K13B. Analyse chimique A chaque étape du traitement, les échantillons ont subi une analyse chimique, afin de connaître la composition du solide et de suivre la qualité de l'élimination des phases. Les analyses ont été effectuées sur les échantillons d'origine, après lavage et décarbonatation, et après oxydation de la matière organique. Observation de l'échantillon au MEB Avant purification, l'imagerie effectuée en électrons secondaires et rétrodiffusés à divers grandissements est illustrée pour des fragments massifs par les images de la figure 10. Les observations sont les suivantes :

- le solide est composé de grains plus ou moins polis et particulaires de dimension moyenne comprise entre 1 et 5 µm. Il résulte de l'association de plusieurs particules liées entre elles,

- les électrons rétrodiffusés indiquent une forte homogénéité de la composition de surface,

- l'analyse chimique globale montre la présence quasi-exclusive de NaCl.


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Fig. 10. - Images MEB de l’échantillon K12H massif en électrons secondaires et rétrodiffusés

à deux grandissements Composition minéralogique des échantillons La composition minéralogique est relativement monotone. On peut, sur la base des diffractogrammes et des observations microscopiques, se risquer à une évaluation semi-quantitative des teneurs. A cette fin, le sel est ignoré. La famille dominante est celle des argiles : la spectroscopie infrarouge, la DRX et les microscopies montrent clairement l'existence de trois familles :

- la kaolinite et à de rares occurrences l'halloysite (forme hydratée de la kaolinite) présente à 30 - 40 %,

- une smectite, peut-être la montmorillonite, dominante, présente à 40 - 50 %, - l'illite, minoritaire, présente à moins de 10 %.

Les minéraux secondaires significatifs sont :

- la calcite, qui représente moins de 10 %,


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- la pyrite, décelée par DRX et par microscopies, présente à l'échelle du %. Des minéraux ont été occasionnellement rencontrés :

- un oxy-hydroxyde de fer, - un hydroxyde d'aluminium, probablement la gibbsite, d'après la morphologie en

feuillets, - un dioxyde de titane, probablement le rutile d'après la morphologie en bâtonnets.

La matière organique, qui représente environ 5 % en masse des échantillons, est distribuée de manière très localisée, et n'a été observée qu'associée en agrégats organo-minéraux. Morphologie des constituants majeurs L'observation la plus frappante est la petite taille des particules constituantes. L'observation que l'ensemble des échantillons passe le tamis de 38 µm, et la proportion élevée (52 à 61%) de particules < 5 µm en sont un premier indice. Les clichés de microscopies montrent clairement la quasi-absence de particules de plus de 10 µm et la taille largement inférieure à 1 µm de la plupart d'entre elles. La montmorillonite et l'illite ont été observées presque exclusivement en agrégats complexes de quelques µm au maximum, en associations mixtes entre elles et avec la kaolinite. La kaolinite, le plus souvent présente à des tailles inférieures à 1 µm, montre deux types de morphologies. Des particules automorphes hexagonales, le plus souvent opaques aux électrons donc assez épaisses, voisinent avec des particules largement majoritaires de formes très arrondies, peu opaques, signe d'une altération poussée. Plusieurs origines, respectivement des gisements et des sols pourraient expliquer cette diversité. 3.6. – CERMES - Comportement des sols marins de grande profondeur Les essais de laboratoire ont été réalisés sur des échantillons provenant de deux tronçons carottes STACOR fournis par l’IFP. La carotte n° 1 se situe entre 4,18 et 4,70 m de profondeur et la carotte n° 2 entre 14,18 et 14,70 m de profondeur. Les points traités au cours de ce programme expérimental sont les suivants : Observation microstructurale (Porosimètre au Mercure - PAM et Microscopie Electronique à Balayage - MEB) de la structure initiale du sol et de son évolution en cours de compression oedométrique dans une gamme de contraintes représentative (0 kPa – 800 kPa). Essais de compression oedométrique à diverses salinités pour identifier l’effet de la salinité sur une éventuelle surconsolidation, Lessivage en eau salée et non salée en conditions oedométriques à diverses charges constantes,

Détermination des propriétés de rétention d’eau à diverses salinités pour quantifier le potentiel de l’eau dans des échantillons en fonction de la salinité et évaluer l’effet de la composante osmotique, Détermination des propriétés de retrait afin d’examiner à l’échelle macroscopique la stabilité des plaquettes et contribuer ainsi à préciser la nature minéralogique des sols considérés (différence de réponse kaolinite / smectite / illite).


20

Caractérisation de la salinité du fluide interstitiel Les résultats corroborent le caractère essentiellement sodique de l’eau interstitielle en accord avec la composition moyenne de l’eau de mer, constituée à 55,3 % de ions chlorure (Cl-) et à 30,8 % de ions sodium (Na+). Les valeurs de salinité obtenues pour l’eau interstitielle sont assez proches pour les deux carottes : 36,8 g/l pour la carotte 1 et 35,9 g/l pour la carotte 2. Elles sont assez éloignées des valeurs moyennes des eaux océaniques, comprises entre 34,60 et 35,00 g/l en fonction de la température. Propriétés physiques et limites d’Atterberg Le poids spécifique de la phase solide déterminée au picnomètre à 20° vaut 26,66 kN/m3 pour le sédiment de la carotte 1, et 26,86 kN/m3 pour le sédiment de la carotte 2. Ces valeurs sont proches de celles caractéristiques de la montmorillonite (26,88 kN/m3) et de la kaolinite (25,70 à 26,09 kN/m3), et nettement plus faible que la valeur caractéristique de l’illite (27,86 kN/m3). Sur la figure 11, les valeurs de limites de liquidité et de plasticité sont présentées en fonction de la molarité en NaCl de la solution aqueuse utilisée pour malaxer les sols. L’intérêt de cette analyse réside dans la possibilité de déceler une éventuelle dépendance des limites de liquidité et de plasticité de la salinité afin de mieux identifier la minéralogie des sédiments. Cette détermination a été effectuée, sur les sédiments des deux carottes, pour des concentrations en NaCl entre 0 g/l (0 M) et 76 g/l (1,3 M). On rappelle qu’une molarité exprime le nombre de moles de soluté (ici NaCl) dans un litre de solution (une solution NaCl 1 M contient 58 g de NaCl).

Fig..11. - Limites de liquidité et de plasticité en fonction de la salinité (NaCl)


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L’influence de la teneur en sel sur les valeurs de la limite de liquidité est assez marquée, tandis que la limite de plasticité reste peu influencée par la variation de salinité du fluide interstitiel. Ces éléments renforcent l’hypothèse d’une fraction argileuse assez élevée dans les sédiments GdG analysés, constituée principalement par des smectites (montmorillonites). Caractéristiques de rétention et de retrait Une évaluation des caractéristiques de retrait et de rétention a été effectuée. Ces résultats décrivent le comportement des sédiments GdG à l’état non saturé en terme d’échange air – eau. Bien que l’état non saturé ne soit pas représentatif de l’état in-situ des sédiments, l’analyse des propriétés de rétention et de retrait apporte des renseignements précieux sur la microstructure de ces sols. L’observation des résultats obtenus montre que les sédiments se rétractent initialement proportionnellement au volume d’eau perdu, les variations de volume des sédiments sont donc égales à la variation de teneur en eau. Ce comportement est typique des montmorillonites, il traduit le fort potentiel de stockage des molécules d’eau et, donc, la plasticité importante de ces argiles, dérivant de l’empilement spécifique des feuillets. L’eau expulsée dans cette phase est essentiellement de l’eau inter-foliaire, ce qui permet à ces sols de continuer à se rétracter, même à l’état non saturé ; le même comportement n’est pas observé dans les kaolinites, où le retrait au-delà du point d’entrée d’air se fait à volume pratiquement constant. Comportement mécanique des sols marins - Essais de compressibilité Ces essais et leur interprétation ont été effectués en collaboration avec Fugro-France Pour la caractérisation du comportement mécanique des sols marins étudiés, des séries d'essais oedomètriques couplées à des observations de la microstructure par PAM et MEB ont été réalisées. Les échantillons analysés, saturés, ont été maintenus dans une solution de sel de Guérande (NaCl) ayant la même salinité que l'eau interstitielle d'origine. Afin de vérifier l'effet de la salinité sur les caractéristiques de compressibilité des sédiments, une série d'essais oedomètriques a été réalisée sur des échantillons lessivés au préalable avec des solutions en NaCl à diverses salinités, à savoir :

− non salée, − à la teneur en sel naturelle, − à la teneur en sel double de celle naturelle (figure 12).

Le but de cette approche est de reconnaître et justifier le gain en résistance (pic en cohésion non drainée) observé dans le premier mètre de sédiments, par la présence éventuelle d'une « surconsolidation apparente » d'origine osmotique (Sultan et al., 2000). A ce stade de la recherche, le phénomène osmotique est donc associé uniquement à la variation de la teneur en NaCl du fluide interstitiel. Ceci est clairement une limitation de l’approche proposée, car les réactions physico-chimiques engendrées dans les sédiments plus superficiels ne sont pas nécessairement associées uniquement à cet électrolyte.


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Fig. 12. – Résultat des essais oedométriques en fonction de la salinité On remarque tout d'abord que l'influence de la salinité dans la gamme des concentrations en NaCl entre 0 g/l et 77,2 g/l est très faible. Ceci peu être résumé par le graphique présenté sur la figure 13. Si on associe au niveau de salinité une valeur de succion osmotique, les seuils observés ont des analogies évidentes avec la surface LC introduite par Alonso et al. (1990) pour expliquer l'écrouissage en succion dans les sols non saturés.

Fig. 13 – Seuil de plasticité des sédiments grands fonds GdG en fonction de la salinité Les indices Cc de 1,75 à 2 témoignent d'une forte compressibilité des sédiments, typique des sols argileux très plastiques tels que les montmorillonites. Cependant les valeurs de Cc sont bien plus élevées des valeurs calculées avec la formule proposée par Skempton (Cc = 0,09[10wl - 1]), ceci indique que la compressibilité des sédiments n'est pas liée uniquement à


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leur limite de liquidité. L'analyse des caractéristiques de fluage, par l'intermédiaire du coefficient de consolidation secondaire Cα, confirme le caractère assez particulier des sédiments. En effet, les valeurs du coefficient Cα, pour l'ensemble des essais réalisés sur les sédiments GdG à -4,18 m (carotte 1) sont comprises entre 0,025 et 0,09. 3.7. Laboratoire L3S Grenoble Essais triaxiaux et procédure Shansep Plusieurs possibilités s'offrent en laboratoire pour tester le comportement de sols argileux lors d'essais de comportement mécanique : triaxiaux ou essais de cisaillement simple. Le paramètre recherché est d'abord la « cohésion non drainée » du sol. Les expérimentations montrent que celle ci est différente selon le type d'appareillage employé : déformation plane, compression, ou extension. Ce fait traduit uniquement que l'angle de frottement effectif φ' du matériau n'est pas le même, ou autre façon de dire, le critère de rupture tridimensionnel ne suit pas le critère de Coulomb. La reconsolidation des échantillons et l'utilisation d'une procédure appelée SHANSEP a été développée à partir des années 70 pour évaluer le comportement des remblais sur argile au MIT. Cette procédure est critiquée par Leroueil et al. se demandant si elle constitue un progrès véritable et durable. En fait, le comportement des argiles marines venant de grands fonds marins devrait être effectué en se plaçant à des contraintes verticales proches des contraintes en place, même si celle-ci sont très faibles. (Il a été possible de réaliser des essais triaxiaux sur de la neige fraîche de densité 150 kg/m3 en adaptant les appareillages. Ces essais peuvent être adaptés à des argiles). L’étude comporte une bibliographie complète sur le comportement des argiles molles à faibles contraintes. Sur des échantillons prélevés au Stacor fournis par l'IFP, une première série d'essais triaxiaux consolidés non drainés est effectuée en appliquant des contraintes classiques sur des échantillons non remaniés. Ceux-ci sont taillés par découpage, le pélèvement par des carottiers risquant de détruire la structure des échantillons. Les contraintes appliquées sont de 50, 100 et 200 kPa.


24

Fig. 14 – Triaxial utilisé par le laboratoire 3S Un développement de l’appareil triaxial a été effectué pour appliquer des contraintes plus faibles, typiquement autour de 10 kPa (5, 10, et 20 kPa). (Figure 14) Les résultats sont comparés à ceux obtenus sur des échantillons reconsolidés selon la procédure SHANSEP.


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4. Tâche 4 Synthèse (responsable chef de projet) En plus de la coordination du projet et de la rédaction des rapports intermédiaire (décembre 2003), d’avancement (octobre 2004) et du présent rapport final don’t une première version a été sortie en décembre 2004, un document est cours de finalisation sur la rédaction de recommandations sur les procédures d’essais de laboratoire pour les sols marins grande profondeur. Les recommandations portent sur les points suivants : Granulométrie, Teneur en eau (présence de sel), Teneur en matière organique, Teneur en carbonate,

Méthodologie concernant les essais triaxiaux, Méthodologie concernant les essais oedométriques, Préparation des échantillons pour diffraction X, Préparation des échantillons pour MEB. Le rapport est en cours de validation entre les partenaires. Certaines de ces recommandations ont déjà été appliquées dans les laboratoires géotechniques spécialisés.


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5. Conclusions La synthèse des connaissances sur les propriétés des sols marins du Golfe de Guinée par grands fonds montre que ces sols présentent un certain nombre de spécificités par rapport à ceux d'autres zones géographiques (Golfe du Mexique) et que les méthodes standard ne sont pas toujours à même de les caractériser précisément et complètement. Ces sols marins sont essentiellement des argiles très plastiques, sensibles et thixotropes. Un travail en profondeur a été entrepris pour mieux les identifier, cerner leurs propriétés physiques et rhéologiques et, in fine, expliquer leur comportement géotechnique. Ce travail de compréhension a mobilisé les efforts conjugués de tous les acteurs impliqués dans le projet en collaboration avec plusieurs laboratoires universitaires extérieurs. Total a mis à la disposition du projet une série de carottes prélevées sur des champs situés par des profondeurs d'eau au-delà de 1 200 m. Les protocoles expérimentaux ont été améliorés pour permettre une identification précise des matériaux : mesure de la teneur en matière organique, de la teneur en carbonate, du contenu granulométrique de l'activité colloïdale. De même, des progrès significatifs en terme de minéralogie et de microstructure (présence de smectite) apportent des explications sur la forte capacité à la rétention d’eau et les indices de plasticité très élevés de ces sédiments. Il est important de noter que minéralogie et microstructure influent directement sur un certain nombre de propriétés géotechniques de premier intérêt en ingénierie, notamment la sensibilité, la thixotropie, l’anisotropie de structure et les comportements d’interface. Les approches traditionnelles de la mécanique des sols sont basées sur des comportements de type élasto-plastique. Il est pertinent de s’interroger sur la capacité de tels modèles à décrire correctement ou complètement le comportement de sols caractérisés par des teneurs en eau très élevées (W >100%), qui se situent au moins sur les premiers mètres sous la surface du fond au-delà de leur limite de liquidité (IL >100 %). Des essais au rhéomètre ont été effectués afin d’apporter des éclairages nouveaux ou complémentaires sur le comportement de ces sols. Les résultats montrent un comportement de fluide à seuil, rhéofluidifiant, avec une forte capacité à la reprise après déstructuration. Des améliorations significatives ont été apportées dans les procédures opératoires pour tenir compte à la fois :

- des difficultés liées à la manipulation et la préparation d’échantillon très mous ; - de l’extrême précision requise dans le contrôle des efforts réellement appliqués à

l’échantillon (faibles contraintes de confinement, suppression ou correction des efforts parasites). Les apports du projet sont très importants et marquent une avancée certaine dans la façon d'étudier ces matériaux d'offshore profond. La suite logique du projet consiste à porter les efforts sur les aspects du comportement de l’interface du matériau avec les éléments de structure : interface avec les conduites (frottement, destructuration - restructation du matériau), interface avec les risers caténaires en acier (raideur du sol de fondation), interface avec les ancres (frottement sol – structure et évolution avec le temps).


27

Valorisation Les nombreuses publications effectuées à partir des résultats du projet, et en particulier celles à venir à Perth et à Tokyo servent à faire connaître les travaux à l’international et à faire prendre conscience de l’importance de suivre rigoureusement les procédures d’essais. Si les résultats du projet ne donneront pas lieu à des reversements de valorisation externe, ceux-ci permettront à tous les partenaires qui interviennent dans le projet et en particulier aux entreprises de mieux prendre en compte les spécificités des sols marins grande profondeur, et d’offrir à leurs clients des solutions mieux adaptées et plus sécurisantes. Les entreprises améliorent ainsi leur compétitivité. Les entreprises présentes dans le projet interviennent à l’étranger et travaillent pour la majorité des sociétés pétrolières internationales.


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6. Documents Rapports A. Puech « Caractérisation des sols grands fonds – Etat des connaissances et des besoins dans le Golfe de Guinée » E. Pons « Propriétés physiques et mécaniques des sols marins d'offshore profond - Projet de fin d'études de Mars à Juillet 2003 » Vincenzo De Gennaro, Pierre Lelage, Emmanuel de Laure - Comportement des sols marins grande profondeur RAPPORT FINAL M. Kongolo, Y. Waldvogel, F. Thomas - Rapport d'étude - Essais de dispersion de sols profonds F. Thomas, M. Kongolo, P. Lambert. – Rapport d’étude – Etude minéralogique et morphologique de deux sols profonds J. Meunier, J.F. Nauroy – Rapport intermédiaire - décembre 2003 J. Meunier, J.F. Nauroy – Rapport d’avancement - octobre 2004 J. Meunier, J.F. Nauroy – Rapport final – version provisoire - décembre 2004 Site internet Un site internet à la disposition des partenaires contient l’ensemble des documents relatifs au projets : rapports, compte-rendu de réunions, exposés, publications. Séminaire J.F. Nauroy SEMINAIRE SOLS MARINS GRANDE PROFONDEUR, Organisé par le groupe de compétence géotechnique marine du CLAROM, le 29 janvier 2003 - CD-Rom contenant l’intégralité des présentations en PowerPoint. Mars 2003 Colloques I. Hénaut, E. Pons, E. Bemer, J-F. Nauroy (Institut Français du Pétrole) « Caractérisation rhéologique des sols marins grande profondeur » - 38ème colloque annuel du Groupe Français de Rhéologie (GFR) - Brest, 15 au 17 octobre 2003 J.F. Nauroy, I. Hénaut, J. Meunier, A. Puech, H. Dendani « Caractéristiques physiques et mécaniques des sols marins grande profondeur » Journées AUM-AFM, Brest, septembre 2004 - [Annexe 1]


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A. Puech, H. Dendani, J. Meunier, J.F. Nauroy « Characterisation of deep water soils for geotechnical engineering: successes and challenges » Caractérisation in-situ des fonds marins SeaTechWeek, Brest Octobre 2004 J. Meunier, H. Dendani, J.F. Nauroy, A. Puech « Caractérisation mécanique des sols marins grande profondeur » Caractérisation in-situ des fonds marins SeaTechWeek, Brest Octobre 2004 Publications en cours en décembre 2004 International Symposium on frontiers in Offshore Geotechnics - 19-21 Septembre 2005 Perth Fabien Thomas, Bernadette Rebours, Jean-François Nauroy, Jacques Meunier « Mineralogical characteristics of the Gulf of Guinea deep water sediments » - [Annexe 2] Denys Bore,l Alain Puech, Hedi Dendani, Jean-Louis Colliat « Deepwater geotechnical site investigation practice in the Gulf of Guinea » Alain Puech, Jean-Louis Colliat, Jean-François Nauroy, Jacques Meunier « Some geotechnical specifities of Gulf of Guinea deep water sediments » Vincenzo de Gennaro, Pierre Delage, Alain Puech « On the compressibility of deepwater sediment of Gulf of Guinea » - [Annexe 3] 16ème congrès international de mécanique des sols et de la géotechnique - 12-16 Septembre 2005 - Osaka Alain Puech, Hedi Dendani, Jacques Meunier, Jean-François Nauroy, « Caractérisation des sédiments de la pente continentale du Golfe de Guinée »- [Annexe 4] Quatre publications, les plus représentatives du travail effectué dans le cadre du projet, sont jointes en annexe.


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7. Réunions 7.1. Réunion de projet Réunion de lancement du projet, 15 janvier 2003 à l'IFP Réunion de projet du 7 avril 2003 à l'IFP Réunion de projet du 20 juin 2003 à l'IFP Réunion de projet du 3 octobre 2003 à l'IFP Réunion de projet du 13 février 2004 à l'IFP Réunion de projet du 18 juin 2004 à l'IFP Réunion de fin de projet du 1er décembre 2004 à l'IFP 7.2. Séminaire « Sols Mous » Le séminaire a été organisé le 29 janvier 2003 par le groupe de compétence géotechnique marine du CLAROM à l’IFP. Plusieurs projets conduits dans le cadre du CLAROM traitent de l’interaction de structures, d’ancrages ou de pipelines avec les sédiments très mous de l’offshore profond. Ces sédiments marins rencontrés au delà de 1 000 m de profondeur dans le Golfe de Guinée, Golfe du Mexique, Brésil, présentent des caractéristiques particulières :

− sédiments fins (argiles) normalement consolidés ou sous-consolidés ; − teneurs en eau élevées, fortes limites de liquidité, plasticité élevée (IP au delà de

100); − faibles valeurs de cohésion en surface (quelques kPa), − anisotropie marquée et sensibilité élevée; − risque de remaniement important des échantillons prélevés.

Le dimensionnement, l'installation et la tenue d'ancrages, de caissons, ou de conduites dans ces sols soulèvent quelques interrogations. Les approches classiques de mécanique des sols (élasto-plasticité) ne permettent pas de représenter toute la complexité de ces sols situés à la frontière entre un liquide et un solide. C’est pourquoi, le groupe de compétence Géotechnique du CLAROM a réuni à la fois des spécialistes de géotechnique marine et des spécialistes de rhéologie qui possèdent des connaissances particulières sur des sédiments superficiels ou sur des matériaux ayant des propriétés voisines de celles des sols de mer profonde : boues, coulis, gels. Le séminaire a comporté quatre sessions :

1. Etat actuel de la connaissance des sols grands fonds et besoins en ingénierie en ce domaine,

2. Mécanique des sols superficiels peu denses et de la sédimentation, 3. Domaines connexes à la mécanique des sols matériaux à la frontière liquide -solide, 4. Table ronde – Discussion

7.3. Séminaire de fin de projet Un séminaire de fin de projet sera organisé au cours du deuxième trimestre 2005 au sein du Clarom (groupe de compétence géotechnique marine).


ANNEXES 1

J.F. Nauroy, I. Hénaut, J. Meunier, A. Puech, H. Dendani « Caractéristiques physiques et mécaniques des sols marins grande profondeur » Journées AUM-AFM, Brest, septembre 2004

Journées AUM/AFM 2004 Brest, 2-3 septembre 2004

1

Caractéristiques physiques et mécaniques des sols marins grande profondeur

Jean-Francois Nauroy (1), Isabelle Hénaut (1), Jacques Meunier (2), Alain Puech (3) & Hedi

Dendani (4)

(1) Institut Français du Pétrole 1et 4 avenue de Bois Préau

92508Rueil Malmaison

(2) ITREMER BP 70

29280 Plouzane

(3) Fugro-France 27 rue des Peupliers

92752 Nanterre Cedex

(4)Total cours Michelet, cedex 47 92069 Paris la Defense

[email protected]

Résumé : Les sols marins rencontrés par grande profondeur, au delà de 1000 m , présentent des propriétés différentes des sols du plateau continental. Ils se caractérisent par la présence importante de particules fines argileuses, mais aussi par une forte teneur en eau. Ces particularités de composition rendent les sols marins grande profondeur très meubles, plastiques, et sensibles au remaniement. Les compagnies pétrolières sont confrontées à ces sols pour l’ingénierie des installations sous-marines, l’ancrage des structures flottantes et la pose de pipelines. Dans le cadre du CLAROM (Club pour les Actions de Recherche sur les Ouvrages en Mer), un projet multipartenaire a été conduit afin d’analyser en détail les caractéristiques physiques et mécanique de ces sols. De nombreux essais de caractérisation ont été réalisés sur des échantillons prélevés dans le Golfe de Guinée. Le matériau est considéré soit comme un solide avec une approche de mécanique des sol classique soit comme un fluide complexe avec une approche rhéologique. Les premiers résultats présentés montrent la complémentarité des approches Mots-clefs : Sols marins, plastique, rhéologie


2

1 Introduction

Les sédiments marins rencontrés par grande profondeur dans les zones d'activité pétrolières sur les côtes Ouest de l’Afrique présentent des caractéristiques particulières différentes de celles des sédiments rencontrés sur le plateau continental. Ils se caractérisent par une granulométrie qui les classe dans le domaine des sols silto-argileux et présentent des teneurs en eau élevées. Les essais classiques de mécanique des sols les rangent dans les argiles très plastiques normalement consolidées. Leur cohésion est en général très faible, à la limite du liquide. Le prélèvement remanie profondément le sédiment et les caractéristiques mesurées en laboratoire diffèrent notablement des caractéristiques qui ont pu être mesurées in-situ.

Les structures mises en place dans les grands fonds sont très variées : pieux d'ancrage, caissons à succion, ancres VLA, pipelines, SCR (Steel Catenary Riser). Le dimensionnement et l'installation de ces structures soulèvent quelques interrogations. Les derniers exemples d’installation de caissons à succion par mer profonde dans le Golfe de Guinée ont montré que plusieurs aspects du comportement de ces matériaux, anisotropie, comportement à l’interface sol – acier, remaniement, cicatrisation, ne sont pas maîtrisés (Puech, 2003). La compréhension des propriétés mécaniques des sols marins grande profondeur apparaît comme un passage obligé dans l’étude plus approfondie du dimensionnement des caissons d’ancrage, de la pose, de l’ensouillage, de la stabilité des conduites, de l’interaction des risers caténaires avec le sol.

2 Caractérisation physique

De nombreuses campagnes de reconnaissance effectuées par Total dans le Golfe de Guinée ont permis d’accumuler quantité de mesures in situ (CPT, scissomètre) et de rapporter des carottes pour analyse en laboratoire.

Total a mis a disposition du projet plusieurs carottes prélevées par des profondeur de 1200 à 1500 m.

Une série complète d'essais d'identification a été entreprise sur ces échantillons. − teneur en eau, − limites d’Atterberg, − granulométrie laser, − teneur en matières organiques, − teneur en carbonates, − salinité, − essais au bleu de méthylène, − adsorption d’azote, − diffraction X, − MEB (microscope électronique à balayage), − analyse chimique. Certaines procédures courantes utilisées par la profession pour déterminer la granulométrie

(sédimentométrie) et la teneur en matières organiques (pertes au feu) se sont révélées inappropriées et conduisent à des résultats erronés. Un travail important a été effectué sur


3

La figure 1 donne des résultats de mesures de teneur en eau en réalisées par l’IFP sur deux

carottes Kullenberg et des mesures réalisés par Fugro sur une carotte Stacor, avec un meilleure préservation. Les teneurs en eau sont très élevées (de plus de 150 % en surface à 130 % environ à 10 mètres), très proches voire supérieures aux limites de liquidité. On peut considérer ce matériau en surface comme une pâte visqueuse en première phase de consolidation comme le décrit Le Bras pour des vases estuariennes (Le Bras, 2000).

0 50 100 150 2000

2

4

6

8

10

Ris

K13

K16

Teneur en eau (%)pr

ofon

deur

(m)

Fig. 1 Profil de teneur en eau La figure 2 récapitule les données d’indice de plasticité dans le Golfe de Guinée. Les

indices de plasticité sont extrêmement élevés, en comparaison des indices de plasticité trouvés dans le golfe du Mexique (en tirets) et sur le delta du Mississipi (en pointillé). Les sols du Golfe de Guinée se montrent très différents de ceux d'offshore profond américains.


4

0

5

10

15

20

25

30

35

20 40 60 80 100 120 140 160

P lasticity index, P I (%)

Pen

etra

tion

(m

Gulf of MexicoMississ ippi D elta

Fig. 2 Indice de plasticité dans le Golfe de Guinée (Fugro-France)

Le minéral argileux présenté comme dominant dans les analyses minéralogiques effectuées

antérieurement à 2003 était la kaolinite, mais les mesures d'adsorption au bleu de méthylène ou à l'azote laissaient penser à la présence de smectites. Des analyses minéralogiques fines avec des procédures élaborées (Thomas et al, présenté à IS-FOG 2005) effectués sur quelques échantillons montrent que la teneur en argile gonflante est importante et responsable du comportement plastique de ces matériaux. 3 Caractérisation mécanique

Les courbes de résistance de pointe au pénétromètre montrent généralement un gradient de cohésion très net avec la profondeur et une curieuse couche indurée en surface dans le premier mètre, avec des cohésions jusqu'à 10 fois plus élevées qu'au dessous (Fig. 3).

En théorie, cette "surconsolidation" apparente dans les couches très superficielles du sol

pourrait être d’origine : - mécanique, à la suite de l’érosion de la surface par l’action des courants ou d’un

glissement de terrain ; - physico-chimique, faisant intervenir des phénomènes chimiques ou électriques

ordinairement négligés.


5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

5

10

15

20

25

Résistance de pointe au pénétromètre (MPa)

prof

onde

ur (m

)

Fig. 3 Exemple de profil pénétrométrique dans le Golfe de Guinée L'explication mécanique ayant été écartée sur ces sites, on privilégie actuellement les

modèles physico-chimiques (Sultan et al, 2000), mais aucun n'a été validé à ce jour. La présence de cette couche de "surconsolidation apparente" impacte directement sur la

réponse mécanique de ces sédiments lorsqu'ils sont soumis à un chargement (capacité portante, raideur).

Les mesures de résistance au cisaillement de type mécanique des sols : scissomètre de poche, scissomètre de laboratoire, essais de cisaillement direct, triaxiaux confirment la tendance d'une augmentation lente avec la profondeur (Fig. 4).Les valeurs sont très faibles en surface


6

0 10 20 30 40 500

2

4

6

8

10

Lsi

K16

STAC

Résistance au cisaillement (kPa)

prof

onde

ur (m

)

Fig. 4 Profil de résistance au cisaillement

Parallèlement à l'approche classique de mécanique des sols, des mesures ont été effectués en considérant le matériau comme un fluide. Plusieurs équipes de recherche ont déjà utilisé cette approche (Locat & Demers, 1988 - Migniot, 1989) Des essais au rhéomètre ont été effectuées sur quelques échantillons selon quatre procédures : essais de fluage, d’écoulement, d’oscillations en régime linéaire et de reprise.

Essais de fluage Un essai de fluage au rhéomètre consiste à appliquer à un échantillon de matériau un

couple constant (La contrainte de cisaillement est alors constante) et à mesurer la déformation angulaire résultante en fonction du temps.

A partir d’un certain niveau de contrainte appliquée, dite contrainte seuil ou seuil d’écoulement, on observe un écoulement uniforme de matière.

Des essais de fluage ont été réalisés à 5°C sur des échantillons présentant des résistances au cisaillement (mesurées au scissomètre de laboratoire) variant de 3 à 10 kPa. (Fig. 5)


7

Fig. 5 - Exemple de détermination de la contrainte seuil sur des échantillons

prélevés sur des carottes Les contraintes seuil obtenues au rhéomètre a été trouvée du même ordre de grandeur que

celles obtenues avec le scissomètre de laboratoire. Le seuil est d'autant plus net que la "cohésion" du matériau est faible.

Essais d’écoulement

Des essais à balayage à contrainte imposée permettent d'étudier les propriétés d'écoulement du matériau. Des échantillons aussi peu remaniés que possible ont été prélevés sur des carottes du Golfe de Guinée et soumis à ce type d'essai. D'autres échantillons ont été destructurés et homogénéisés en ajoutant des quantités d'eau contrôlées.

Tous les échantillons, quelles que soient leurs teneurs en eau, présentent un comportement rhéofluidifiant avec un seuil de contrainte que l’on peut modéliser par une loi de Herschel-Bulkley (Fig. 6) :

n

c K.γττ ×+=

où τc la contrainte seuil τ la contrainte de cisaillement K la consistance de l’échantillon (K porte la même unité que la viscosité) n l’indice de pseudo plasticité •γ la vitesse de cisaillement

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60

% d

éfor

mat

ion

time (s)

τ=2,5 kPa

τ=2 kPaτ=1 kPa

τ=3 kPa

0

100

200

300

400

500

0 10 20 30 40 50 60

%dé

form

atio

n

time (s)

8,5 kPa

8 kPa

7 kPa


8

Fig. 6 - Essais d'écoulement continu en contraintes imposées à des teneur en eau différente Essais oscillatoires Des essais oscillatoires réalisés en balayant en fréquence avec une faible amplitude de

déformation (0,05%) ont montré un comportement de gel fort (Henaut et al, 2003). La chute des modules est un indicateur du seuil d'écoulement.

Fig. 7 Exemple d'essai oscillatoire Essais de reprise Quelques échantillons ont été soumis à une vitesse de cisaillement de 500 s-1 pendant 10

minutes afin de les déstructurer. Puis ils ont été laissés au repos en effectuant à intervalle réguliers des essais oscillatoires pour quantifier la reprise au cours du temps.

Les échantillons récupèrent leurs propriétés

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

1 10 100 1000 10000 100000ττττ (Pa)

Mod

ules

dyn

amiq

ues

(Pa) G'

G"


9

10000

100000

1 10 100

Fréquence w en Hz

G' e

n Pa

Etat intial ; w=150%

Etat déstructuré t=0

t = 13 min

t = 40 min

t = 53 min

t = 1h06 min

t = 1h20 min

t = 1h33 min

t = 1h46 min

t = 2h ; w=146%

Fig. 8 Exemple d'essaii de reprise

4 Conclusions Les sols marins rencontrés par grande profondeur sont essentiellement des silts argileux très plastiques, sensibles et thixotropes. Un important travail de recherche a été entrepris pour mieux les identifier, cerner leurs propriétés physiques et mécaniques. Les protocoles expérimentaux ont du être améliorés. Des essais exploratoires au rhéomètre ont été effectués afin de rechercher dans quelle mesure

des modèles issus de la mécanique des fluides (visco-plasticité, modèles à seuil…) ne seraient pas aptes à apporter des éclairages nouveaux ou complémentaires sur leur comportement. Les premiers résultats montrent un comportement de fluide à seuil, rhéofluidifiant, avec une forte capacité à la reprise après déstructuration. Cette approche semble prometteuse. Ces travaux ont mis en évidence la nécessité d'approfondir le rôle que jouent les caractéristiques minéralogiques, physico-chimiques (salinité entre autres) et microstructurales sur le comportement du matériau. Les processus de sédimentation peuvent également être importants (vitesse de sédimentation, natures des dépôts, proximité des pockmarks, volcan de boue, …). Références Henaut, I., Pons, E., Bemer, E. et Nauroy, J-F., 2003, Caractérisation rhéologique des sols

marins grande profondeur », 38e Colloque annuel du Groupe Français de Rhéologie (GFR), Brest, 15 au 17 octobre 2003

Le Bras, G., 2000, Etude expérimentale du début de consolidation de sédiments fins naturels,

Thèse de doctorat, Université de Nantes Locat, J. & Demers, D., 1988, Viscosity, yield stress, remolded strength, and liquidity index

relationships for sensitive clays, Can. Geotech. J., 25, 799-806


10

Migniot, C. 1989, Tassement et rhéologie des vases, La houille blanche, N°2 Thomas,F., Nauroy, J-F & B. Rebours, 2005, Mineralogical characteristics of the Gulf of

Guinea deep water sediments, présenté à l'International Symposium on Frontiers in offshore geotechnics

Sultan, N., Cochonat, P., Dennielou, P., Bourillet, J.F., Savoye, B. & Colliat, J-L., 2000,

"Surconsolidation apparente et pression osmotique dans un sédiment marin", CR Acad. Scien Paris, Sciences de la terre et des planètes/331, pp 379-386

Van Damme, H., "Colloidal Chemo-Mechanics of Cement Hydrates and Smectite Clays :

Cohesion vs Swelling,in « Encyclopedia of Surface and Colloid Science », A. Hubbard, Ed.,


ANNEXES 2

Fabien Thomas, Bernadette Rebours, Jean-François Nauroy, Jacques Meunier « Mineralogical characteristics of the Gulf of Guinea deep water sediments » International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics - 19-21 Septembre 2005 Perth

1 INTRODUCTION

The properties of marine sediments encountered at great water depth (beyond 1000 m) are characterized by a large content of fine particles and high water content. These sediments appear to be very plastic and sensitive to disturbance. Oil companies need to consider the special behaviour of these soils for the engineering of underwater installations, anchoring of floating structures and installation of pipelines.

The CLAROM (Club pour les Actions de Re-cherche sur les Ouvrages en Mer) has initiated a multipartner project to perform a detailed analysis of the mineralogical and mechanical properties of these soils. The project focuses on the soils of the Gulf of Guinea, whose properties are different from those of soils encountered below the deep waters of the Gulf of Mexico (Puech et al., 2005; De Gennaro et al., 2005).

The goal of this work was to better understand the relationships between the mineral composition and the plastic behaviour of deep water soils. The fol-lowing analyses were conducted on several repre-sentative samples from a site located in water depth of about 1300 m: grain size distribution, Atterberg limits, organic material content, carbonate content, methylene blue adsorption test, nitrogen gas adsorp-tion, X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Micros-copy (TEM) and chemical composition.

This study focused on sub-samples taken from Kullenberg and STACOR piston cores to a maxi-mum depth of 15 m below seabed.

2 PHYSICAL CHARACTERISTICS

The subsurface sediments of the studied site of Gulf of Guinea consist of fine grained material of rela-tively homogeneous dark grey colour. They are characterized by very high water contents, typically between 150 and 250 % at the seabed and decreasing with depth. Similarities and differences with other sites are detailed by Puech et al. (2005).

2.1 Grain size distribution The particle size distribution of the sediments from Gulf of Guinea ranges below 400 µm and very often below 100 µm. Grain size distributions obtained from standard hydrometer testing after dispersion by sodium hexametaphosphate did not show adequate defloculation of particles which tended to agglomer-ate. The results are poorly representative of the ac-tual particle size distribution (Puech et al., 2005). Therefore, several dispersing agents were tested: disodic phosphate, sodium pyrophosphate, sodium diethyl-triamino-pentaphosphonate (Masquol), poly-acrilate (Coatex) and ion exchange resin (Amber-lite).

A 20-g specimen of sediment was dispersed in 500-ml demineralized water. The particle size distri-bution was measured using laser diffraction method (Malvern Mastersizer, MS 2000), which is known to be suitable for such type of soils and to give repro-ducible results (Baoping et al, 2002). Typical results are presented on Figure 1.

Mineralogical characteristics of the Gulf of Guinea deep water sediments

F. Thomas Laboratoire Environnement et Minéralurgie (CNRS-INPL), Vandoeuvre, France

B. Rebours & J-F. Nauroy Institut Français du Pétrole, Rueil-Malmaison, France

J. Meunier Ifremer, Centre de Brest, Plouzané, France

ABSTRACT: The properties of marine sediments encountered at great water depth are characterized by a large content of fine particles and a high water content. These sediments appear to be very plastic and sensi-tive to disturbance. In order to better understand the relationships between the mineral composition and the plastic behaviour of these soils a detailed analysis of the physical and mineralogical properties of several rep-resentative samples from Gulf of Guinea was performed. The mineralogical composition, analysed after proper dispersion of the samples, reveals significant amounts of smectite, whose swelling properties explain the high water content and the very high plasticity index generally measured on these sediments.

Figure 1. Effect of various dispersing agents on the particle size distribution of a representative sample.

The cation exchange resin appears to be the most

effective dispersing agent, as shown in Figure 1. The D50 is shifted from 13 µm for the untreated sediment to 7 µm with the soluble dispersants and to 4 µm with the resin, which exchanges the multivalent ca-tions at the interface of the aggregated sample with Na+ ions (the former being adsorbed at the surface of the resin).

It is also observed from Figure 1 that ultra-sounds applied to an untreated sample produced strong dis-persion of poorly attractive elements. Recommended procedure should include the use of both ultrasounds and cation exchange resins.

2.2 Organic material and carbonate content According to the methods used, organic matter con-tents may vary approximately from 4 % to 15 % for the same sample. The organic matter content is often supposed to be equal to the loss of mass on ignition. Depending on the temperature reached, many differ-ent minerals can lose water (dehydration or dehy-droxylation) or carbon dioxide (i.e. carbonates). Kaolinite, for instance, begins to decompose to metakaolin and looses up to 13% of water around 450°C (Kezdi, 1974).

The data recorded with the IFP Pollut-Eval (equipment designed for analysis of hydrocarbon-contaminated soils using pyrolysis) show per-centages of total organic carbon (TOC) of about 1 to 2 %. The Kerogenatron, a geochemistry instrument designed for pure kerogen isolation and mineral ma-trix destruction by acidification, was used with some samples of the site in order to extract the organic matter with no loss or alteration.

The organic matter content for samples dried at 100°C varies between 3 and 6 %, which is 2 to 3 times higher nthan TOC.

The carbonate content, obtained from a Dietrich Fruhling calcimeter on more than fifty samples, var-ies from 5 to 30 %, with an average around 15 %. The data are very scattered because the tests are per-formed using very small quantities of material. The presence of shell fragments can locally lead to high carbonate content values.

3 PLASTICITY INDEXES

3.1 Atterberg limits Liquid and plastic limit values respectively average 150 and 45, which classify the sediments amongst the highly plastic soils. The plasticity indexes are currently higher than those encountered in Gulf of Mexico (around 60 after Puech et al., 2005). Ex-ploratory rheological tests were carried out in order to examine if fluid mechanics models would be ap-propriate to bring new or complementary lightings on their mechanical behaviour. First results show a behaviour of Herschel-Bulkley fluid (yield strength and shear thinning), with high capacity to recover af-ter destructuration (Hénaut et al., 2003).

3.2 Methylene blue adsorption tests The methylene blue test (MBT) is not used by off-shore oil contractors, but is well-known in soil me-chanics laboratories. Methylene blue is a large polar organic molecule, which can be adsorbed onto the negatively charged surfaces of clay minerals. Ti-tration with methylene blue can also be considered giving a relative measure of the cation exchange ca-pacity of a clay soil (Cokca, 2002).

The amount of methylene blue adsorbed on the material is expressed either in g of blue for 100 g of the material (MBV), or as a specific surface area (Sp), with Sp=20.93×MBV (m2/g).

The estimated geometric surface area of a smec-tite is 800 m2/g, whereas values vary from 80 to 100 m2/g for illite and from 20 to 40 m2/g for kaolinite.

Typical values recorded for samples range from 2.6 to 4.1 for MBV or from 55 to 70 m2/g for Sp. Kaolinite alone cannot explain such high values of Sp. Other types of clay minerals are then expected to exist in the sediments.

The above values are significantly higher than those measured by nitrogen adsorption at 77 K (25 to 35 m2/g) on samples dried under vacuum. In that case, only the external surface of the aggregates can be probed by N2, whereas the MBT measurement is carried out in dispersed aqueous suspension allow-ing the probe to adsorb on most of the surfaces, in-cluding interlayer surface of the swelling clays such

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 10 100

untreatedpyrophosphatemasquoldisodic phosphatecoatexresinUS 120 sec

Cum

ulat

ive

(Vol

ume)

Size (µm)

as smectites, which can then be differentiated from kaolinites (Santamarina et al., 2002)

4 CLAY MINERALOGY

Depending on the method applied, characterization of the sediments may be performed either on bulk dried samples or after clay enrichment by separation of the finest granulometric fraction (a definition of clays being "the fraction of particle below 2 µm").

4.1 Preparation of the samples To identify clay minerals contained in the sediment, the finest fraction (< 2µm) must be separated from the coarser particles by differential sedimentation, after dispersion in water.

Successive treatments, aiming at removing the phases responsible for aggregation, were applied: 1 elimination of chlorides by repeated washings

with permuted water, 2 removing of carbonates by soft acid leaching (di-

luted HCl) at approximately 60°C, avoiding to lower the pH below 4, which could damage clays,

3 elimination of organic matter, which can limit clay adsorptivity, by soft oxidation by hydrogen peroxide at 80°C,

4 exchange of divalent cations (Ca++, Mg++, ...) for Na+ by contact with an ion exchanging resin (Amberlite). The suspensions were sedimented for 24 hours

and the supernatants containing the < 2 µm fraction were concentrated by centrifugation.

The amount of particles below 2 µm was typi-cally around 25 % after step 3 and around 50 % after step 4. The difference is attributed to the strong dis-persing effect of the cation exchange resin, as shown in Figure 1.

To identify clay minerals by X-ray diffraction in the fine fraction produced by the procedure de-scribed above, oriented preparations were performed to enhance the 00l reflexions, characteristic of the layer equidistance in clays. 1 Either 2 ml of the clay fraction suspension in wa-

ter were sedimented on a glass plate, or the wet sample obtained by centrifugation was rubbed on a glass plate, then the specimen was dried in open air.

2 Ethylene glycol was then sprayed on the oriented specimen to selectively swell the smectites.

3 Finally, the specimens were heated at 550°C in order to identify kaolinites, which collapse upon calcination, and illites, which resist. X-ray dif-fraction diagrams were recorded after each step of the preparation.

For microscopic observations (SEM and TEM), the fine fraction was diluted in ethanol and a drop of this dispersion was put on the microscope grid and dried at room temperature.

The results presented below are representative of those obtained on the whole set of studied samples.

4.2 XRD A typical powder diagram of the raw sediments after drying and grinding is shown in Figure 2. The major crystalline phases in the samples are quartz, carbon-ates and clays, along with minor phases such as hal-ite (NaCl) or pyrite. The 7 Å spacing of one of the clay minerals (kaolinite) is clearly detected on the powder diagrams, and a weak line often indicates the presence of a 10 Å spaced clay (illite) or mica, but the 12-15 Å spacing expected for smectite group is always hardly discernible.

Figure 2. X-ray powder diagram of a typical raw sample.

Table 1 - Typical phase identification from XRD powder dia-gram.

Elements % Quartz SiO2 15 to 20 Kaolinite Al2(Si2O5)(OH)4 15 to 50 Muscovite or Illite 2(AlFe)(Si6Al2O20)(OH)4

5 to 25

Microcline KAlSi3O8 5 to 10 Calcite CaCO3 5 to 30 Mg-exchanged Calcite Mg0.1Ca0.9CO3 traces Pyrite FeS2 5 Halite NaCl 5 CaSO4 hydrates (Gypsum, Bassanite) traces Phosphates traces

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60

12.5

7 Sm

ectit

e

7.15

Kao

linite

02-,1

1, P

hyllo

silic

ates

Kaol

inite

Kaol

inite

02-,1

1, P

hyllo

silic

ates

3.33

7 Q

uartz

3.02

8 C

alci

te2.

814

Hal

ite

2 θ

The step by step elimination of chlorides, carbon-ates and organic matter, was controlled by infrared spectroscopy (Fig. 3) and XRD (Fig. 4).

Figure 3. IR spectra after successive phases of treatment; (1) raw sample; (2) after washing (Cl-); (3) after acid leaching (CO3

2-); (4) after oxidation of organic matter.

Figure 4. Diffraction patterns after each step of treatment; (1) raw sample; (2) after washing (Cl-); (3) after acid leaching (CO3

2-); (4) after oxidation of organic matter. The disappearance of halite after step 1 is shown

by the XRD patterns, and that of calcite after step 2 is evidenced by both XRD and IR. After the oxidant treatment of step 3, the disappearance of IR lines corresponding to organic matter (CH3, CH2) can be observed. It is the same with the weak pyrite XRD line.

It is worth noting that the broad line indicating the presence of smectite progressively increases af-ter each step of treatment: it is assumed that those

treatments progressively release clay lamellae and allow them to be re-arranged in the powder.

Diffractograms carried out on the oriented speci-mens clearly demonstrate the presence of smectites from the strong peak around 12-13 Å (Fig. 5), which was absent from the powder pattern.

Figure 5. Comparison of an X-ray diffraction diagrams on ori-ented specimen with the powder diagram of the raw sample.

Oriented sample patterns, as prepared, treated by ethylene glycol and calcined at 550°C (Fig. 6) allow the three following types of clay to be identified: − Kaolinite: which is characterized by a basal spac-

ing of ~ 7.2 Å, and by the collapse of its structure after heating at 550°C.

− Smectite: clay with a 12 to 13 Å basal spacing and a swelling character attested by the 17.5 Å spacing obtained after treatment by glycol (re-placement of the water molecules by glycol molecules in the interlayers). After heating at 550°, the layers dehydrate and collapse to a 10 Å spacing.

− Muscovite (mica) or Illite (clay): minerals of spacing of 10 Å, non swelling, non sensitive to the heating. These two minerals are differentiated by the width of their diffracted 00l line, i.e. the perfection of the crystal lattice. For the majority of the samples, the 10 Å lines are rather broad with a fine top, which indicates the presence of an illite and mica mixture. Accurate quantitative evaluation of the relative

amount of the different clays in the mixture is not possible through XRD analysis because the intensity and area of X-ray peaks depend on many factors such as structure factor, degree of order, or inter-stratification, which can not be quantified individu-ally. However, rough evaluation from the area of the 12 Å and 7 Å peaks indicates predominance of the smectites in most of the fine fractions (Fig. 7).

5001000150020002500300035004000

1

2

3

4

carbonates

kaolinite

1793

1438

915

Wavenumber (cm-1)

CH3, CH2

251

293

287

kaolinite

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60

quar

tzca

lcite

halite

pyrit

e

kaol

inite

kaol

inite

smec

tite

1

2

4

3

2θ

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25 30 352θ

pow der

oriented

Figure 6. Identification of clay minerals on oriented prepara-tions of fine fractions.

Figure 7. Samples containing different proportions of smectite / kaolinite in the Gulf of Guinea sediments.

4.3 SEM-TEM observations SEM micrographs show an open, flocculated

structure consisting of a series of linked clay aggre-gates (Figs. 8 & 9). The size of the unit particles ap-pears to be close to 1 µm. Crushing of the dry sam-ple results in aggregates of 5 to 10 µm and releases very small unit particles.

TEM observations are similar, whether they have been made on raw samples or fine fractions. Kaolin-ite is generally smaller than 1 µm and shows two types of morphologies: automorphous hexagonal particles, generally opaque to electrons thus rather thick, are associated with a large majority of very round particles, not very opaque to electrons, which is a sign of a thorough deterioration. According to XRD, kaolinite is not interstratified.

Examples of TEM micrographs are shown in Figures 10 and 11. It is clear that even the coarser fraction (> 2 µm) is made of aggregates of very small particles, often as small as 0.1 µm. Features of this image are very similar to observations made on the < 2 µm fraction. Various shapes are observed. Hexagonal shape is typical of kaolinite particles (particle a in Figure 10). Irregular shapes indicate

smectite or illite particles (particles b and c in Figure 11 respectively).

a b Figure 8. Scanning electron micrograph of the raw sample. a) massive, b) crushed.

Figure 9. Scanning electron micrograph of an aggregate.

Figure 10. Transmission Electron Micrograph of the > 2µm fraction showing a kaolinite particle. Associated EDS spec-trum.

The mineralogical composition of the sample is revealed by the Energy Dispersive Spectrometry (EDS) analysis performed on selected areas of the

a

akaolinite

1 µm

0 5 10 15 20 25 300

5000

10000

15000

7Å

17Å

13-15Å

10Å

Oriented prep. + 550°C

Oriented prep. + Glycol

Oriented prep.

Inte

nsity

(cou

nts)

2θθθθ (CuKαααα)

0 5 10 15 20 25 300

5000

10000

15000

20000

Kao

linite

3.5Å

Kao

linite

002

Illite

Smec

tite

7Å

10Å

13-15Å

Inte

nsity

(cou

nts)

2θθθθ (CuKαααα)

5 µm 10 µm

1 µm

TEM images: particle a in Figure 10 is clearly kao-linite, as indicated by the elemental Si/Al ratio close to 1.

Illite and smectite appear generally as aggregates, as shown in Figure 11. The EDS analysis clearly in-identifies these minerals. Illite (particle b) is charac-terized by a Si/(Al+Mg) ratio close to 1 and to the presence of significant amount of potassium located in the interlayer. Smectite (particles c) is character-ized by a Si/Al ratio close to 2 and the presence of interlayer cations, Ca in the present case. Again, ag-gregated particles are surrounded by isolated parti-cles.

Figure 11. Transmission Electron Micrograph of the > 2 µm fraction showing aggregates. Associated EDS spectra.

5 CONCLUSIONS

The sediments encountered at great water depth in Gulf of Guinea are very plastic, sensitive and thixo-

thixotropic silty clay. An important research task was undertaken for better identifying them, and de-termining their physical and mineralogical proper-ties. The work focused on samples from a site lo-cated in water depth of about 1300 m. The experimental protocols had to be improved.

Two observations contribute to better understand-ing the behaviour of these soils: firstly, the high pro-portion of swelling clay in the fine fraction, which could be revealed in XRD diagrams only after de-struction of carbonates and dispersion of the samples by the Na-exchanging resin treatment; secondly, the nature of kaolinite encountered characterized by very fine material (lower than 1 µm), and rounded particles.

The conjunction of these two characteristics ex-plains the high plasticity and thixotropic behaviour observed on these soils. However, more research is needed for looking into further detail as to the role played by the mineralogical and microstructural characteristics on the mechanical behaviour of mate-rial.

6 ACKNOWLEDGEMENTS

Studies presented in this paper are part of a joint re-search project conducted in the framework of CLA-ROM. Project partners are IFP, IFREMER, Fugro-France, Saipem-SA, Stolt Offshore, Technip and To-tal. Permission to publish this paper is gratefully ac-knowledged.

REFERENCES

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Cokca, E., 2002, Relationship between methylene blue value, initial soil suction and swell percent of expansive soils. Turkish J. Eng. Env. Sci. 26, 521-529

De Gennaro, V., Puech, A. & Delage, P. 2005. On the com-pressibility of deepwater sediments of the Gulf of Guinea. Proc. Int. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, Australia

Hénaut, I., Pons, E, Bemer, E. & Nauroy, J-F. 2003. Caractéri-sation rhéologique des sols marins grande profondeur. 38e Colloque annuel du Groupe Français de Rhéologie, Brest

Kezdi, A. 1974. Handbook of soil mechanics. Vol. 1. Soil Phys-ics: Elsevier

Puech, A., Colliat, J-L., Nauroy, J-F. & Meunier, J. 2005. Some geo-technical specificities of Gulf of Guinea deepwa-ter sediments. Proc. Int. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, Australia

Santamarina, J-C., Klein, K.A., Wang, Y.H. & Prencke, E. 2002. Specific surface : determination and relevance. Can. Geotch. J., 39 : 233-241

billite

csmectite

1 µm

b

c


ANNEXES 3

Vincenzo de Gennaro, Pierre Delage, Alain Puech « On the compressibility of deepwater sediment of the Gulf of Guinea » International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics - 19-21 Septembre 2005 Perth

1 INTRODUCTION

Deep offshore technologies for oil exploitation re-quire a detailed geotechnical characterisation of the upper layers of the deepwater sediments, up to few tens of meters depth. As compared to other marine sediments, the clayey sediments of the Gulf of Guinea (hereinafter GoG) retrieved from sites at 450 to 1500 m water depth present some unusual and specific physical properties (Puech & Colliat, 2005): high water contents up to 8 m depth (with w chang-ing from 250% down to 150% ), high plasticity in-dexes (IP = 150 and wL = 200% at the seabed, IP = 100 and wL = 100% at 8 m depth), sometimes an atypical peak of net cone resistance on CPT curves near the seabed (120-200 kPa) and an unexpected apparent overconsolidation of the first 2 m (OCR around 5 and up to 10 when the CPT peak exists), in the absence of any admissible process of past geo-logical unloading.

The properties and the behaviour of marine de-posits have been investigated by a number of authors (inter alia : Bjerrum 1967, Perret et al. 1995, Yin 1999, Ohtsubo et al., 2000). Since the well estab-lished empirical correlations between geotechnical parameters and index properties for continental soils are often out of the ranges encountered in marine sediments, efforts have been made to find out similar correlations also for these sediments (e.g. Yin 1999). Nonetheless, as for continental soils, such correla-tions do not furnish necessarily the rationale behind the observed mechanical responses. Therefore, nei-

ther predictive analyses nor expected behavioural features of the sediments can be foreseen. The ap-parent overconsolidation (i.e. increasing stiffness) often encountered in the upper layers of a variety of ocean sediments is a typical phenomenon that needs further understanding. Ohtsubo et al. (2000) corre-lated the geotechnical properties of Ariake and Bangkok marine clay deposits with the respective smectite fractions and pore water salt concentrations. Compressibility of both clays was found to be a function of the liquid limit, which in turns depends on the salt concentration, as in terrestrial clays (Di Maio, 1996). Sultan et al. (2000) considered osmotic consolidation associated to ion exchanges as a pos-sible factor influencing the compressibility of GoG sediments.

Since 2003, a joint research project has been un-dertaken on the geotechnical characterisation of deep GoG sediments. This paper concentrates on the compressibility of the GoG soils in relation with their sedimentation history and in situ conditions.

2 GENERAL FRAMEWORK

There is now a general agreement on the effect of the natural structure of soils and weak rocks on their mechanical behaviour (Lambe & Withman, 1969; Mitchell, 1976; Delage & Lefebvre, 1984; Burland, 1990; Leroueil & Vaughan, 1990). This seems par-ticularly true in marine sediments, and reflects sedi-mentation histories rather unknown, which lead to

On the compressibility of deepwater sediments of the Gulf of Guinea

V. De Gennaro & P. Delage Ecole Nationale des Ponts et Chaussées (CERMES, Inst. Navier), Paris, France

A. Puech Fugro France, Nanterre, France

ABSTRACT: Results of one-dimensional compression tests performed on samples of deepwater clayey sedi-ments retrieved from two sites of Gulf of Guinea are presented in this paper. Unusual high stiffness and effec-tive vertical stress at yield exceeding the value of the estimated in situ stress have been identified. This obser-vation corroborates additional data from other in situ investigations, relating, in some cases, "apparent" states of overconsolidation (with OCR values up to 10) of the near seabed sediments (from 0.4 to 1 m depth). In the absence of any evidence of past geological unloading, this particular in situ state of the sediments is inter-preted within the general framework proposed for the analysis of the mechanical behaviour of structured natu-ral clays. Depositional and post-depositional factors affecting the compressibility in Ko condition of the sedi-ments are briefly discussed.

depositional and post-depositional effects on the geotechnical properties of the sediments, including the effects of geochemistry and pore water chemistry (Ohtsubo et al. 1995).

Structure acts in terms of bonding and fabric, and its characterisation is of utmost importance when as-sessing the pre and post-yielding compressibility of natural soils. Fundamental understanding has been gained during the past fifteen years within this re-search area. Burland (1990) discussed the general behavioural patterns of structured natural clays. He recognized the importance of the existing relation-ship between the intrinsic properties of the reconsti-tuted soil, compared to its natural properties. The conceptual framework proposed by Burland associ-ates the compressibility of a natural sedimentary clay with that of the same clay, reconstituted. A normalizing parameter, the void index Iv, is intro-duced to correlate the compression characteristics of various clays. The void index is defined as

∗∗

∗

−−

=1000100

100v ee

eeI (1)

where e100* and e*1000 are the "intrinsic" void ra-tios, obtained during one-dimensional consolidation of a sample reconstituted at a water content in the range wL ÷ 1.5 wL (being wL the liquid limit), corre-sponding to an effective vertical stress σ’v of 100 and 1000 kPa, respectively. The "intrinsic" compres-sion index is C*c = (e*100 - e*1000). Burland demon-strated that for a particular clay e*100 and C*c are re-lated to the value of the void ratio eL at the liquid limit. For a large number of clays, the locus de-scribed by Equation (1) in (log σ'v : Iv) plane is unique, and is called Intrinsic Compression Line (ICL, see Fig. 1).

For a large number of clays, the locus described

Figure 1. Theoretical sedimentation compression curves and experimental intrinsic compression curves of GoG sediments

by Equation (1) in (log σ'v : Iv) plane is unique, and is called Intrinsic Compression Line (ICL, see Fig. 1). Burland showed that the ICL is nearly parallel to the locus fitting the large set of sedimentation com-pression data given by Skempton. He called this lo-cus the Sedimentation Compression Line (SCL, Fig. 1). In sedimentary clays the SCL lies to the right of the ICL. Therefore, for a given void index, a natural clay can support higher effective overburden pres-sure than the corresponding reconstituted clay, due to its structure. Nonetheless, due to the large variety of depositional and post-depositional environments, deviations from the SCL may occur, as it will be seen later.

Recently, Cotecchia & Chandler (2000) have re-viewed and extended Burland's approach. They ana-lysed the overall effect of structure in clays, depict-ing a common framework of behaviour for clay in the light of sedimentation and/or post-sedimentation history. They recognized that the SC line is not unique, and that several SC lines exist, parallel to Burland's SCL, all ordered with respect to strength sensitivity, St. The latter is defined as the ratio of the intact undrained shear strength to the undrained shear strength at remoulded state.

The overall pattern of behaviour is plotted in Fig-ure 1. The various SC lines represent the natural de-positional process followed by clays of a given sen-sitivity St, and as such Burland's SCL corresponds to St ≅ 5. Within this pattern, the location of normal-ized curves from one-dimensional compression tests can be useful to assess the effect of structure and sedimentation history of a given clay on its me-chanical behaviour. For instance, a "geologically" overconsolidated clay (i.e. a clay whose actual stress state σ'vo results from a geological unloading) will have preconsolidation stress σ'p lying on the SC line of corresponding sensitivity St. It follows that OCR = σ'p / σ'vo. Thus, the SC line is also the boundary line delimiting the elastic domain of the material. Any additional process occurring while sedimenta-tion was active or after (post-sedimentation), can eventually generate supplementary strength in the soil. In this case, the vertical effective yield stress σ'vy, corresponding to the inception of the plastic re-gime, will be higher than the preconsolidation stress σ'p. The Yield Stress Ratio YSR = σ'vy / σ'vo is then introduced, compared to the OCR = (σ'p / σ'vo) < YSR. Note that OC soils with post-sedimentation structure have σ'vo < σ'p < σ'vy (i.e. OCR < YSR), whereas normally consolidated soils with post sedi-mentation structure have σ'vo = σ'p < σ'vy (i.e. OCR = 1 < YSR).

Burland's approach, completed and extended with the study proposed by Cotecchia & Chandler (2000), seem to apply conveniently to the description of the behaviour of GoG deepwater sediments. The appli-cation of this reference framework to GoG sedi-ments is the object of the next sections.

Iv

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 1 10 100 1000 10000

σ'v (kPa)

SCL (Burland, 1990)ICL (Burland, 1990) ICL site A : 4.2 m (w = 150) ICL site A : 14.2 m (w = 120)

St = 3 St = 10 St = 100

3 MATERIALS AND METHODS

Samples of GoG sediments were recovered using a STACOR® giant piston corer from two different wa-ter depths, 600-900 m and 1300-1500 m. Extracted cores, 100 mm diameter, were approximately 20 m long. In the following, results from two different sites, hereinafter site A and site B, are presented and discussed.

3.1 Characterisation of site A Samples from Site A were retrieved from 1300-1500 m water depth. The profile of the water content over the depth of interest, obtained from in situ measure-ments, is shown in Figure 2. Line with open symbols represents the average water content obtained from the lower and higher estimates, also plotted in the same Figure in light lines. Very high water contents were measured on the seabed, with values close to 200%. A drop in the profile, corresponding to rela-tive lower than expected water contents at 0.5-0.7m penetration, was also observed. Water content then increases up to 1 m depth, and finally starts to de-crease progressively, down to an average value of about 120%, still unusually high. It is likely that some local environmental agents may have modified the overall activity of the upper sediment layers.

The range of measured water contents for all the tested samples in laboratory are plotted in Figure 2, they fit satisfactorily in situ data. The corresponding bulk unit weights were of about 13 kN/m3 (Gs = 2.67) at 4 m and 14 kN/m3 (Gs = 2.69) at 14 m depth, with average values of void ratios equal to 4 and 3.4 at 4 m and 14 m depth, respectively. The values of Gs and the high plasticity indices (IP of about 110, with wl = 160) seem to suggest that the clay fraction (from 40% to 80% : Thomas et al., 2005) has a significant proportion of smectites, the other phase being kaolinite.

Figure 2. Water content profile of site A

Salinity of the bulk water, principally due to NaCl, was 38.6 g/l NaCl for samples at 4 m depth and 35.9 g/l NaCl for samples at 14 m depth (obtained by electric conductivity measurements). Decreasing liquid limit with increasing salinity (up to one molarity NaCl, i.e. 58 g/l) was observed. Conse-quently, the compressibility of the sediments was also assessed considering various salt concentrations of the pore water, namely : natural state, 0 g/l and 72 g/l (two times the average natural content of NaCl).

3.2 Characterisation of site B The water content profile of site B is shown in Fig-ure 3. A trend similar to that of site A is observed. As a consequence of the almost uniform geology of the area of interest, average values of water content are roughly the same of site A. They are quite high on the seabed (w = 180%), starting to decrease al-most linearly over the first 7 m in depth, and staying nearly constant (w = 120%) below 7 m.

The average Gs value was 2.65. The sediments of site B had a liquid limit wl = 144, and a plasticity in-dex IP of about 85. Again, a significant proportion of smectites is suspected, to justify the unusual high plasticity of these sediments. Compared to site A, the profile of water content in Figure 3 doesn't show evidence of rapid water content decrease, followed by a small increase, over the first meter of penetra-tion in the sedimentary formation.

3.3 One-dimensional compression tests Samples for one-dimensional compression tests were obtained coring the material contained inside a slice of the original core, 25 mm thick, with a thin walled mould 100 mm in diameter and 10 mm in height. The slice was cut from the available portion of the core, 0.5 m height. A standard oedometric step load-ing procedure was adopted.

Figure 3. Water content profile of site B

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 50 100 150 200 250

WATER CONTENT (%)

DEP

TH (m

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 50 100 150 200 250

WATER CONTENT (%)

DEP

TH (m

)

For the samples saturated using water with modified salinity, previous circulation of solution at given concentration in NaCl was performed. This process took about 1 week. Reduced consolidation (for high NaCl concentration) and swelling (for 0 g/l NaCl) were observed during percolation of NaCl solutions.

4 COMPRESSIBILITY OF GOG SEDIMENTS

One-dimensional compression tests using oedome-ters were performed on samples from both sites.

A first series of tests was carried out on samples from site A, from 4 m and 14 m in depth under the seabed. A second series of tests was performed on various samples from the same site, retrieved at dif-ferent depth between 3.3 m and 13.3 m. Five oe-dometer oedometer tests were conducted on samples from site B, retrieved at 5 depths, between 2.9 m and 18.6 m.

4.1 Site A : one-dimensional compressibility Two tests, one sample per depth (4 m and 14 m), were performed on reconstituted samples at w equal to wl, in order to establish the ICL of GoG sediments from site A.

Results of these two tests are presented in Figure 1 and compared with the ICL regression proposed by Burland (1990) as a function of eL. A general agreement is observed, although at low effective vertical stresses the experimental data tend to stabi-lise at constant value of Iv rather than constantly in-crease. Both tests define the same ICL.

Figure 3 shows the normalised results of the first series of one-dimensional compression tests, com-pared with the experimental ICL.

Figure 3. Normalised one-dimensional compression curves of GoG sediments : site A, first series.

In the same Figure the average estimate of the SCL for site A, obtained from the profile of water content shown in Figure 2 is also plotted. The natural SCL lies between the ICL and the SCL for St = 3 for the majority of the profile (σ’v > 6 kPa, i.e. for penetra-tions in excess of about 2-3m). There is clearly an impact of the structure of the clay. In the very top of the profile, at very low vertical pressures and very high water contents, the sedimentation compression curves are difficult to establish. Nevertheless, this result seems to suggest that the state of the sedi-ments at 0.5 m depth, where w markedly decreases, is strongly affected by deposition conditions. Note that samples from the upper level (4m depth) have normalized compression curves that cross the aver-age SCL, move towards Burland's SCL and finally fall on the ICL at higher stresses, indicating that the structural effect is progressively erased. On the other hand, samples from 14 m approach the experimental SCL and then converge on the ICL. The change in stiffness for all the samples occurs within the narrow zone comprised between the SCL for St = 3 and Bur-land's SCL (St ≅ 5). Theses results are in good agreement with the sensitivity values obtained from triaxial UU tests, that furnished St = 4 for site A, al-most constant with depth (Puech & Colliat, 2005). They also indicate reduced affects of disturbance, this aspect being confirmed by disturbance indices from "good" to "fair" for all the tests presented in this paper (Lunne et al., 1998).

Details of results shown in Figure 3 are presented in Figures 4 to 6 in terms of yield points, compared to the in situ vertical stresses σ'vo. From results shown in Figures 3 and 4 it can be inferred that the effect of salinity is negligible. Indeed, yielding does not seem to be influenced by the concentration in NaCl of the pore water. Figure 4. Yielding of GoG sediments (site A) : effect of salinity (4 m depth).

-2

-1

0

1

2

3

1 10 100 1000

σ 'v (kPa)

IvSCL (Burland, 1990)

SCL site A

ICL site A

4 m

14 m

σ'vo

St = 3

-2

-1

0

1

2

3

1 10 100 1000σ'v (kPa)

Iv

SCL (Burland, 1990)SCL (St = 3)SCL site AICL site A

Yield point (0 g/l NaCl)Yield point (78 g/l NaCl)σ'vo

Samples from 4 m in depthw ~150

Figure 5. Yielding of GoG sediments (site A) : natural state (4 m depth). It is worth noting that at the in situ vertical stress σ'vo ≅ 12 kPa, corresponding to 4 m depth, com-pressibility curves of the upper sediments lie ap-proximately on the average SCL, hence σ'vc ≅ σ'vo, whereas σ'vy ≅ 2σ'vo. Thus sediments at 4m depth are normally consolidated in the geological sense (i.e. OCR = 1), but have a yield stress ratio YSR = 2, the result of a post-sedimentation structure.

Note that the same results hold true for samples from 4 m in depth, tested at their natural natural state in terms of water salinity (Fig. 5). Again, a yield stress ratio YSR = 2 is observed, for an average sen-sitivity St of about 4, in the absence of any apparent geological overconsolidation. Finally, a synthesis of the results obtained on samples from 14 m in depth (σ'vo ≅ 56 kPa) is shown in Figure 6. As it is possible to observe, sediments are still geologically normally consolidated (OCR = 1), with sign of a post-sedimentation structure (max YSR ≅1.4).

Figure 7 shows the normalised results of the sec-ond series of one-dimensional compression tests, compared with the experimental ICL and the aver-age estimate of the SCL for site A. Good agreement with the sensitivity framework is still observed.

The compressibility curve of the sample retrieved from the upper level (3.3 m) crosses the SCL ap-proaching the SCL for St = 3 (YSR ≅ 2) and then drops on the ICL. The remaining compressibility curves of the deeper samples cross the SCL at a ver-tical effective stress σ'vc ≅ σ'vo (OCR = 1) and have a yield stress σ'vy slightly higher than the in situ stress (i.e. YSR ≅ 1.3 or so).

4.2 Site B : one-dimensional compressibility Normalised one-dimensional compression tests

for GoG sediments recovered at site B are shown in

Figure 6. Yielding of GoG sediments (site A) : natural state (14 m depth). Fig. 8, together with the average SCL curve. The lat-ter is quite smooth, in agreement with the average water content profile given in Fig. 2. The broken lines plotted in the same Figure represent the maxi-mum and minimum estimates of the SCL, depending on water content data scattering.

Since the ICL for these soils was not available, the ICL of sediments from site A is plotted on the same graph. These data suggests that sediments from site B are normally consolidated with a post-sedimentation structure, similarly to site A. Indeed, almost all the compressibility curves cross the aver-age SCL at a vertical effective stress value close to that of the in situ stress. Exceptions are the curves of samples from 3.2 and 18.6 meters depth, which however are closer to the upper and lower SCL (grey lines), respectively.

Figure 7. Normalised one-dimensional compression curves of GoG sediments : site A (second series).

-2

-1

0

1

2

3

1 10 100 1000σ'v (kPa)

Iv


Yield point σ'vo

Samples from 4 m in depthw ~150 (NaCl 38.6 g/l)

-2

-1

0

1

2

3

1 10 100 1000σ 'v (kPa)

Iv


Yield pointσ'vo

Samples from 14 m in depthw ~120 (NaCl 35.9 g/l)

-2

-1

0

1

2

3

1 10 100 1000σ 'v (kPa)

Iv SCL (Burland, 1990)SCL (St = 3)SCL site AICL site A3.3 m7.3 m10 m13.3 mσ'vo

Figure 8. Normalised one-dimensional compression curves of GoG sediments : site B (various depth).

Data from triaxial UU tests indicate average sensi-tivities of about 4 to 5, almost constant with depth. This seems to be confirmed from data shown in Fig. 8. Indeed, Burland's SCL (St = 5) seems likely to be the upper bound for the vertical effective yield stresses of curves relative to samples from 2.9 m and 3.2 m. This also indicates that values of YSR do not exceed 2 over the inspected depth.

5 CONCLUSIONS

The compressibility of GoG sediments have been analysed within the framework proposed for natural clays and structured soils (Burland, 1990; Cotecchia & Chandler, 2000).

Data from two sites have shown that the proposed approach seems to reflect adequately the actual in situ state of the sediments. Apparent overconsolida-tion, in the absence of any past known geological unloading, is interpreted here as the result of post-sedimentation history. This acts in terms of overall structural effect, giving rise to increasing strength, and is quantified by the effective vertical yield stress σ'vy, always higher than the in situ stress σ'vo. The latter was found equal to the preconsolidation stress σ'p, confirming that GoG sediments are geologically normally consolidated. This is particularly true for the sediments near the seabed, where yield stress ratios YSR = σ'vy /σ'vo were found close to 2, whereas for penetrations in excess of about 4 meters additional strength seems to stabilize with YSR of about 1.3 - 1.4.

These results suggest that the enhanced chemical activity of the upper layers of the sediments, in di-rect contact with the marine environment, may be the cause of the increasing stiffness. Further studies

on samples retrieved from the near seabed (from 0.4 to 1 m depth) are planned to deeper investigate this point.

6 ACKNOWLEDGEMENTS

The work presented in this paper is part of a joint re-search project conducted in the framework of CLA-ROM. Project partners are IFREMER, IFP, Fugro France, Saipem SA, Stolt-Offshore, Technip and To-tal. Permission to publish this paper is gratefully ac-knowledged.

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-2

-1

0

1

2

3

1 10 100 1000σ 'v (kPa)

Iv SCL (Burland, 1990)SCL site BICL site A2.9 m3.2 m4.9 m15.6 m18.6 m

σ'vo


ANNEXES 4

Alain Puech, Hedi Dendani, Jacques Meunier, Jean-François Nauroy « Caractérisation des sédiments de la pente continentale du Golfe de Guinée » 16ème congrès international de mécanique des sols et de la géotechnique - 12-16 Septembre 2005 - Osaka

Caractérisation des sédiments de la pente continentale du Golfe de Guinée Geotechnical characterization of Gulf of Guinea deepwater sediments

Alain Puech Fugro France, Nanterre, France

Hedi Dendani Total, Paris La Défense, France

Jacques Meunier Ifremer, Centre de Brest, Plouzané, France

Jean-Francois Nauroy Institut Français du Pétrole ,Rueil-Malmaison, France

RÉSUMÉ Cette communication porte sur la caractérisation géotechnique des sédiments rencontrés par plus de 450m d’eau sur la pente continen-tale du Golfe de Guinée. Indépendamment de leur position géographique et de la profondeur d’eau, ces sols ont en commun un certainnombre de propriétés physiques et mécaniques qui les distinguent d’autres sols de mers profondes. La revue porte sur 10 sites en trai-tant plus particulièrement des propriétés indicielles, de la résistance au cisaillement non drainé et de l’état de contrainte in situ. Laplupart de ces propriétés spécifiques n’ont pas reçu d’explication satisfaisante à ce jour et des efforts de recherche sont nécessaires pour comprendre et prédire le comportement de ces matériaux.

ABSTRACT The paper addresses the geotechnical characterization of the sediments encountered on the continental slope of the Gulf of Guinea inwater depths in excess of 450m. These soils notwithstanding their geographical position and water depth have in common a number ofphysical and mechanical properties which differentiate them from other deepwater soils. The review refers to 10 sites and focuses on index properties, undrained shear strength and in situ stress state. Most of the specific properties of these soils have not received so farsatisfactory explanations and more research is needed to understand and predict their geotechnical behavior.

1 INTRODUCTION

La première reconnaissance géotechnique par grandes profon-deurs d’eau dans le Golfe de Guinée a eu lieu en 1998 sur le site de Girassol par 1500m d’eau au large de l’Angola. Depuis cette date une importante somme de données géotechniques a été re-cueillie au large de l’Afrique de l’Ouest dans des profondeurs d’eau comprises entre 450 et 1500m.

La confrontation des données géotechniques recueillies sur les différents sites montre que les sédiments du Golfe de Guinée (GdG) présentent un certain nombre de caractéristiques com-munes qui les différencient des autres sols de mers profondes, notamment ceux du Golfe du Mexique (GdM). L’objet de cette communication est de mettre en évidence les propriétés spécifi-ques de ces matériaux.

Les procédures d’essais conventionnelles et les approches usuelles de la mécanique des sols se sont quelquefois avérées insuffisantes pour identifier correctement les matériaux et dé-terminer leurs propriétés physiques et mécaniques. Des efforts de recherche sont nécessaires pour parvenir à une compréhen-sion satisfaisante du comportement géotechnique des sédiments du Golfe de Guinée

2 SOURCES DE DONNEES

Les auteurs ont effectué une revue synthétique des propriétés géotechniques des sols recueillies sur 10 sites au large du Nige-ria, de la Guinée Equatoriale, du Congo et de l’Angola, par des profondeurs d’eau comprises entre 450 et 1500m. La limite su-périeure de 450m a été choisie de manière à s’assurer que tous les sédiments considérés se situent sur la pente continentale au-delà de la zone de transition avec le plateau continental. La li-

mite inférieure de 1500m correspond à la limite actuelle des in-vestigations à caractère pétrolier dans cette région.

Un état de la pratique des investigations géotechniques par grands fonds dans le Golfe de Guinée a été dressé par ailleurs (Borel & Puech, 2004 ; Puech et al., 2005). La grande majorité des données géotechniques discutées ci-après ont été obtenues : - soit par carottage à partir d’un carottier géant à piston station-naire dit carottier STACOR® : cet équipement permet la récu-pération de carottes de 100mm de diamètre et d’environ 20m de longueur. Les échantillons généralement de très bonne qualité géotechnique sont soumis à des essais de laboratoire standards et avancés ; - soit par mesures in situ : un grand nombre d’essais de pénétra-tion au piezocône (CPTU) et quelques essais au scissomètre (VST) ont été réalisés jusqu’à des pénétrations de l’ordre de 40m à partir de modules posés sur le fond.

Les propriétés des sédiments analysés sont représentatives de zones stables à morphologie simple et uniforme. Ces zones sont supposées ne pas être affectées par les nombreux « géohazards » spécifiques des grands fonds tels que hydrates de gaz, pock-marks, volcans de boue, diapirisme , etc.

3 PROPRIETES INDICIELLES

3.1 Teneur en eau et poids volumique immergé

Les sédiments sont caractérisés par des teneurs en eau très éle-vées typiquement comprises entre 150 et 250% au niveau du fond et décroissant avec la pénétration (Fig.1). Sur les 6 à 10 premiers mètres sous le niveau du fond, la teneur en eau décroît sensiblement (environ 80-150% vers 8m) mais reste supérieure ou proche de la limite de liquidité (1<IL<1.2). Au-delà la dé-

croissance est faible au moins dans la limite des pénétrations concernées par la plupart des fondations de structures par grands fonds (soit 30 à 40m). Les quelques sondages profonds disponibles confirment la tendance à la décroissance mais les teneurs en eau peuvent encore être de l’ordre de 80 à 100% vers 100m de pénétration. Figure 1. Evolution de la teneur en eau avec le la profondeur.

Corrélativement les poids volumiques immergés sont parti-culièrement faibles, partant de 12 à 13 kN/m3 au niveau du fond pour atteindre 13 – 15 kN/m3 au delà de 6-8m. Ces valeurs sont nettement inférieures à celles observées dans les sédiments du Golfe du Mexique (Fig.4).

3.2 Teneur en carbonates

Les teneurs en carbonates sont généralement comprises entre 5 et 15% et varient de manière erratique avec la profondeur. Les observations au MEB indiquent que la calcite est sous la forme de débris de coquillages très fins (< 30 µm).

3.3 Teneur en matière organique

La détermination de la teneur en matière organique des sédi-ments du GdG a fait l’objet d’une attention particulière.

La méthode dite de la perte au feu couramment utilisée en géotechnique surestime grossièrement la teneur en matière or-ganique (MO de 10 à 20%). Le chauffage à des températures de l’ordre de 450°C libère l’eau de constitution des kaolinites dont la réduction de poids est assimilée à de la matière organique. Cette méthode est à proscrire.

La méthode chimique par oxydation au dichromate de potas-sium donne des valeurs typiquement comprises entre 5 et 15% qui pour un même échantillon peuvent être deux fois plus fai-bles que les valeurs obtenues par perte au feu. Ces valeurs pa-raissent cependant fortes par rapport aux observations au mi-croscope électronique et aux teneurs en carbone organique total (COT) mesurées sur quelques spécimens.

Le COT exprime la teneur en carbone entrant dans la consti-tution des molécules organiques. Sa valeur a toujours été trou-vée proche de 2%. La détermination de la teneur en matière or-ganique demanderait des analyses chimiques très complètes permettant d’identifier la nature et la proportion relative des dif-férentes molécules organiques présentes dans les sédiments. En

admettant un rapport assez vraisemblable de 2 à 3 la teneur en matière organique ne dépasserait pas 6%.

3.4 Analyse granulométrique

La granulométrie des sols fins est traditionnellement obtenue en mécanique des sols par sédimentométrie, l’hexa-métaphosphate étant utilisé comme agent dispersant. Cette tech-nique s’avère inopérante sur les argiles du GdG en raison d’une mauvaise défloculation des particules.

Des procédures spécifiques ont été développées (Thomas et al., 2005). Elles nécessitent le recours aux ultrasons et à l’usage de résines à base de sulfonates pour assurer une bonne dis-persion. Il en ressort que les matériaux sont quasi entièrement composés de fines (souvent plus de 95% < 40 µm) avec une proportion élevée de particules < 2 µm (de 50 à 80%).

3.5 Plasticité

Une caractéristique majeure des sols du Golfe de Guinée est leur très forte plasticité (Fig.2). L’indice de plasticité (IP) est typiquement compris entre 70 et 120 mais peut atteindre 150 au niveau du fond. Ces valeurs sont nettement plus élevées que cel-les des sols du Golfe du Mexique pourtant qualifiées de très plastiques (30<IP<70). La limite de plasticité LP est quasi cons-tante avec la profondeur (typiquement 45+/-10) tandis que la li-mite de liquidité LL décroît de 150-200 au niveau du fond à 120-160 vers 6-10m de pénétration. Dans le diagramme de Ca-sagrande, les sédiments sont classés comme argiles fortement plastiques (CH) à limons fortement plastiques (MH). Figure 2. Evolution de l’indice de plasticité avec la profondeur.

Des analyses de diffraction aux rayons X (DRX) effectuées sur les échantillons bruts montrent que la minéralogie est domi-née par la fraction argileuse (40 à 60%), résultat cohérent avec les analyses granulométriques (50 à 80% de particules < 2 µm). L’identification des différentes fractions argileuses s’est avérée plus délicate (Thomas et al., 2005) et nécessite le suivi de pro-cédures spécifiques. Les kaolinites constituent la phase domi-nante (de l’ordre de 50%) mais les smectites sont en proportion significative (typiquement 15 à 25%). Les smectites sont res-ponsables de la forte plasticité des matériaux.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 50 100 150 200 250 300 350

Teneur en eau, W (%)

Péné

tratio

n (m

)

Chaque symbole représente un site différent. GdG (10 sites)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100 120 140 160

Indice de Plasticité, IP (%)

Péné

tratio

n (m

)

GdM (Quiros et Little, 2003)

GdG (10 sites)

4 RESISTANCE AU CISAILLEMENT NON DRAINE

4.1 Profils de résistance au cône (CPT)

Deux profils de résistance de pointe pénétrométrique sont pré-sentés sur la Fig.3. Ils sont représentatifs des nombreux essais CPT réalisés sur les sites profonds du Golfe de Guinée.

Figure 3. Profils types de résistance de pointe pénétrométrique.

Au-delà de 2m de pénétration et jusqu’à 30-40m sous le ni-veau du fond, limite de pénétration des systèmes modulaires opérés, la résistance de pointe nette qn croît linéairement avec la profondeur. Le gradient de résistance ∆qn est compris entre 15 et 30kPa/m avec des variations locales (sur un même site) du même ordre que les variations régionales (d’un site à un autre).

Dans les deux premiers mètres de pénétration, deux types de profils peuvent être observés : - soit un profil « avec pic », caractérisé par une forte croissance de qn qui atteint 120-200kPa entre 0.4 et 0.7m de pénétration, puis décroît progressivement pour se réaligner sur le gradient

général vers 2m sous le niveau du fond : - soit un profil « sans pic », avec une valeur de qn de 15 à 30 kPa au niveau du fond et croissant ensuite selon le gradient ob-servé en profondeur.

La présence de ces pics de résistance situés juste sous le ni-veau du fond n’a pas reçu à ce jour d’explication satisfaisante. De tels pics n’ont pas été observés dans le Golfe du Mexique; on en a trouvé en Méditerranée ; on en rencontre sur de nom-breux sites du Golfe de Guinée mais pas sur tous. Certains au-teurs (Sultan et al., 2001) ont suggéré que des forces de succion osmotique dues à d’intenses échanges ioniques près de l’interface sol-eau pourraient produire une « surconsolidation » apparente du matériau mais il s’agit d’une simple hypothèse.

4.2 Profils de résistance au cisaillement non drainé

Les essais au scissomètre in situ (VST) fournissent des mesures de pic de la résistance au cisaillement non drainé du sol Suv à des intervalles de 1 à 1.5m. La résistance de pointe nette qn est liée à Suv par le facteur de cône Nkv. Pour les sols du Golfe de Guinée, Nkv est compris entre 10 et 14 mais des analyses plus précises indiquent que le facteur de cône serait voisin de 11 en surface et croîtrait ensuite pour atteindre des valeurs de l’ordre de 14 à 15 en profondeur (Puech et al., 2005).

La valeur du gradient de cohésion dans les argiles profondes du GdG est souvent voisine de 1.5kPa/m, peu différente de celle des sols du GdM en dépit de leur plus faible poids volumique. Le rapport normalisé Su/p’o est supérieur à 1 dans les premiers mètres et décroît ensuite pour se stabiliser à des valeurs de l’ordre de 0.4-0.5 entre 10 et 30-40m de profondeur. Ce même rapport est nettement plus faible dans les sols du GdM (voisin de 0.3)

5 HISTOIRE DES CONTRAINTES/ CONTRAINTES IN SITU

Les valeurs élevées du rapport Su/p’o peuvent suggérer l’existence de phénomènes de surconsolidation. De fait, les es-sais oedométriques interprétés par la méthode de Casagrande conduisent à des valeurs de p’c supérieures à la pression effec-tive en place p’o. Le rapport p’c/p’o est de l’ordre de 2 sur les premiers mètres de pénétration et décroît ensuite jusque vers 1.3 à 15-20m de pénétration. Au-delà les données sont rares mais suggèrent des valeurs voisines de 1.2.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

qnet (MPa)

Péné

tratio

n (m

)

Site A

0

1

2

0.0 0.1 0.2

Site B

B A

0 75 150 225 300

p'0 , p'c (kPa)

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10

γ' (kN.m-3)

Péné

tratio

n (m

)

0 15 30 45

Su (kPa)

GdG


P’0 P’c

GdG

GdM

GdGGdM

0 75 150 225 300

p'0 , p'c (kPa)

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10

γ' (kN.m-3)

Péné

tratio

n (m

)

0 15 30 45

Su (kPa)

GdG


P’0 P’c

GdG

GdM

GdGGdM

Figure 4. Profils types de poids volumiques, de consolidation et de cohesion dans les Golfes du Mexique (GdM) et de Guinée (GdG)

Comme il est clairement établi que les sols considérés n’ont fait l’objet d’aucune surcharge, on s’abstiendra pour éviter toute confusion de parler de « surconsolidation » et on adoptera la terminologie de Burland (1990) qui nomme YSR (Yield Streng-th Ratio) le rapport p’c / p’o.

5.1 Sédimentation et effet de structure

La Fig.4 permet de comparer les profils types de contraintes ef-fectives de sols du GdG et du GdM. Si les différences de gra-dient de p’o s’expliquent par les différences sur les poids volu-miques, les profils de p’c sont peu comparables. Dans le GdM les sols apparaissent normalement consolidés (p’c# p’o) jusque vers 10-15m de pénétration puis la différence ∆p = p’c – p’o croît avec la profondeur suggérant que ∆p peut être attribué à des changements de structure liés à la contrainte et au temps (consolidation secondaire et vieillissement). Dans le GdG la va-leur de ∆p est élevée sur les premiers mètres puis tend plutôt à décroître pour retrouver des valeurs comparables à celles du GdM à plus grande profondeur. Ceci suggère que les fortes va-leurs de ∆p observées à faible profondeur dans le GdG auraient une origine structurelle ou chimique.

Burland (1990) a proposé un modèle conceptuel permettant de comparer la compressibilité des argiles naturellement sédi-mentées avec celle des argiles reconstituées. Les propriétés des argiles reconstituées, ou propriétés intrinsèques, sont inhérentes au sol lui-même et sont indépendantes de son état naturel. Dans un diagramme (Iv, log p’o), où Iv représente l’indice des vides normalisé, la compressibilité des argiles reconstituées peut être représentée par une ligne unique dite ligne de compression in-trinsèque (ICL). Les propriétés des argiles naturelles sont in-fluencées par la structure du sol (agencement et/ou collage). La structure dépend de nombreux facteurs tels que le mode de dé-pôt, le vieillissement, la cimentation, le délavage. L’évolution de l’indice des vides normalisé avec la profondeur dans un dé-pôt naturel est appelée courbe de compression sous sédimenta-tion (SCC). La plupart des argiles naturelles s’organisent autour d’une ligne moyenne dite ligne de compression sous sédimenta-tion (SCL). Le fait que la SCL soit située à droite de l’ ICL in-dique que pour un indice des vides donné, une argile naturelle peut supporter une contrainte verticale effective bien supérieure au poids des terres. Figure 5. Argiles du Golfe de Guinée dans le modèle de Burland (1990) On a reporté sur la Fig.5 et pour deux sites donnés : - l’ICL et la SCL selon Burland ; - les courbes de compression sous sédimentation (SCC) obte-nues à partir des valeurs moyennes des teneurs en eau naturelles observées à chaque profondeur ; - les courbes de compression normalisées de quelques oedomè-tres réalisés sur du matériau reconstitué et sur du matériau natu-rel.

Il est manifeste qu’il existe sur les argiles du Golfe de Gui-née un net effet de structure. On distingue par ailleurs très net-

tement aux très faibles valeurs de contraintes effectives corres-pondant aux deux premiers mètres de pénétration les conditions prévalant pour le site A qui présente un « pic » de résistance de celles du site B « sans pic ». Des travaux plus approfondis sont en cours pour tenter de relier la compressibilité de ces matériaux à leur microstructure (De Gennaro et al., 2005)

5.2 Coefficient Ko de pression des terres au repos

Le coefficient Ko peut être obtenu par des essais triaxiaux drai-nés sous déformation radiale constante. La valeur obtenue dans le domaine plastique, représentative des conditions normale-ment consolidées, soit Ko(nc) se situe dans la fourchette 0.45-0.55.

6 CONCLUSIONS

Les sédiments rencontrés par grandes profondeurs d’eau dans le Golfe de Guinée présentent des propriétés physiques et mécani-ques qui les différencient des autre matériaux rencontrés en mers profondes et notamment dans le Golfe du Mexique. La présente communication basée sur une revue de 10 sites situés sur les pentes continentales de l’Afrique de l’Ouest dans des profondeurs allant de 450 à 1500m a permis de mettre en évi-dence les propriétés communes de ces matériaux en se concen-trant sur les propriétés indicielles, les profils de résistance au ci-saillement non drainé et les profils de contraintes in situ.

Des travaux de recherche ont été nécessaires pour dévelop-per des procédures spécifiques permettant une identification pertinente de ces sols. Un travail de fond reste à mener pour re-lier leurs caractéristiques de compressibilité et de cisaillement à leur histoire et à leur microstructure.

7 REMERCIEMENTS

La synthèse des données et les études mentionnées dans cette communication ont été menées dans le cadre d’un projet de re-cherche conjoint conduit sous l’égide du CLAROM et soutenu financièrement par le RTPG. Les partenaires du projet sont IFREMER, IFP, Fugro France, Saipem SA, Stolt Offshore, Technip et Total.

REFERENCES

Borel, D. and Puech, A. 2004. Deepwater geotechnical investigations in the Gulf of Guinea: successes and challenges. Proc. Seatechweek, 20-22 Oct. 2004, Brest, France.

Burland, J.B. 1990. On the compressibility and shear strength of natural clays, Geotechnique 40, No 3, pp 329 – 378.

De Gennaro, V., Puech, A. and Delage, P. 2005. On the compressibility of deepwater sediments of the Gulf of Guinea. Proc. Intern. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, Australia.

Puech, A., Borel, D., Dendani, H. and Colliat, J.L. 2005. Deepwater geotechnical site investigations in the Gulf of Guinea: present prac-tice. Proc. Intern. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, Australia.

Quiros, G.W. and Little, R.L. 2003. Deepwater soil properties and their impact on the geotechnical program. Proc. Offshore Technology Conference, Houston, Tx, OTC paper 15262.

Sultan, N., Cochonat, P., Cauquil, E. and Colliat, J.L. 2001. Apparent overconsolidation and failure mechanisms in marine sediments. Proc. OTRC Intern. Conf. Honoring Prof. W. Dunlap, Houston, Tx.

Thomas, F., Nauroy, J.F. and Rebours, B. 2005. Mineralogical charac-teristics of Gulf of Guinea deepwater sediments. Proc. Intern. Symp. on Frontiers in Offshore Geotechnics, Perth, Australia.

-2

-1

0

1

2

3

4

1 10 100 1000 10000

σ'v (kPa)

Iv

SCL

ICL

P'cP'0

Oedo. sol reconstitué

Oedo. sol naturel

P'0P'c

SCC Site B

SCC Site A